Калутрон: Уран изотоптарын бөлуге арналған массалық спектрометр

Кіріспе

Массалық спектрометр

Калутрон – бастапқыда уранның изотоптарын бөлу үшін жобаланған және қолданылған массалық спектрометр. Ол Эрнест Лоуренс Манхэттен жобасы барысында жасаған, бұл өнертабысы оның бұрынғы циклотронға негізделген. Атауы Калифорния университетінің циклотронынан алынған, Лоуренстің Калифорния университеті институтына құрмет көрсету мақсатында, осы университетте ол ойлап табылған. Калутронтар Теннесси штатының Оук-Ридж қаласындағы Клинтон инженерлік кешеніндегі Y-12 уран байыту зауытында қолданылды. Өндірілген байытылған уран 1945 жылғы 6 тамызда Хиросимада жарылған "Литтл Бой" атом бомбасында пайдаланылды. Калутрон – секторлық массалық спектрометрдің бір түрі, онда сынама иондалады, содан кейін электр өрістерімен үдетіліп, магнит өрістерімен бұрылады. Иондар соңында пластинаға шағылысып, өлшенетін электр тогын тудырады. Әртүрлі изотоптардың иондарында бірдей электр заряды болғанымен, массалары әртүрлі болғандықтан, магнит өрісі ауыр изотоптарды аз бұрады, нәтижесінде бөлшектердің сәулесі массасы бойынша бірнеше сәулеге бөлініп, пластинаның әртүрлі жерлеріне тиеді. Иондардың массасын өрістің күші мен иондардың зарядына сәйкес есептеуге болады. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде калутрон осы қағиданы пайдаланып, уран изотоптары арасындағы шағын масса айырмашылығын пайдаланып, жоғары тазалықтағы уран-235-тің мол мөлшерін алу үшін жасалды. Соғыстан кейін уранды байыту үшін электромагниттік ажырату күрделірек, бірақ тиімдірек газдық диффузия әдісіне ұступи орын берді. Манхэттен жобасының көптеген калутрондары соғыс аяқталғаннан кейін таратылса да, кейбіреулері әскери, ғылыми және медициналық мақсаттар үшін табиғи элементтердің изотоптық байытылған үлгілерін өндіру үшін қолданылып келеді.

Шығу тегі

1938 жылы неміс химиктері Отто Хан мен Фриц Страссманның ядролық бөлінуді ашқандығы және Лиза Майтнер мен Отто Фриштің оны теориялық тұрғыдан түсіндіргені туралы жаңалықты Нильс Бор АҚШ-қа жеткізді. Ол, ядроның сұйық тамшы моделіне сүйене отырып, термиялық нейтрондармен бөлінуге жауапты негізгі изотоптың уран-235 екенін, ал одан көп таралған уран-238 емес екенін болжады. Бұл болжамды растау үшін Миннесота университетінің профессоры Альфред О.К. Ниер 1940 жылдың сәуір айында массалық спектрометрді пайдаланып, микроскоптық көлемде байытылған уран-235 құрамын жасады. Джон Р. Дunning, Аристид фон Гроссе және Юджин Т. Бут оның дұрыс екенін растады. Лео Силард пен Уолтер Зинн тез арада бір бөліну кезінде бірнеше нейтронның бөлініп шығатынын растады, бұл ядролық тізбекті реакцияны бастауға болатындығын және, демек, атом бомбасын жасау теориялық мүмкіндік екенін көрсетті. Нацистік Германия мен басқа фашистік елдерден қашқан ғалымдар арасында Германияның атом бомбасын жасау жобасы бірінші болып жасалып шығады деген қорқыныш болды. Ұлыбританиядағы Бирмингем университетінде австралиялық физик Марк Олифант екі босқын физик – Отто Фриш пен Рудольф Пейерлске атом бомбасын жасау мүмкіндігін зерттеуді тапсырды, себебі олардың жау шетелдігі мәртебесі радар сияқты құпия жобаларда жұмыс істеуіне кедергі келтірді. Олардың 1940 жылғы наурыздағы Фриш-Пейерлс меморандумы уран-235-тің сыни массасы шамамен 10 кг екенін көрсетті, бұл сол кездегі бомбалаушы ұшақпен тасымалдауға жеткілікті болды. Британдық Мод комитеті атом бомбасын жасауды бірауыздан ұсынды. Ұлыбритания АҚШ-қа ғылыми зерттеулеріне қолжетімділік беруді ұсынды, сондықтан Тизард миссиясының Джон Коккрофт американдық ғалымдарға британдық жетістіктер туралы баяндады. Ол американдық жобаның британдық жобадан кішірек екенін және одан кем дамыған екенін анықтады. Көңілі қалған Олифант американдық ғалымдармен сөйлесу үшін АҚШ-қа ұшты. Олардың қатарында Берклидегі Калифорния университетінің радиациялық зертханасындағы Эрнест Лоуренс болды. Екі адам соғыстан бұрын танысып, дос болған. Лоуренс уранды зерттеуді бастауға жеткілікті әсер қалдырды. Уран-235 табиғи уранның шамамен 0,72% құрайды, сондықтан кез келген уранды байыту процесінің бөліну коэффициенті табиғи ураннан 90% уран-235 өндіру үшін 1250-ден жоғары болуы керек. Мод комитеті мұны газды диффузия процесінде жүзеге асыруды ұсынған, бірақ Олифант 1934 жылы басқа техниканы енгізді: электромагниттік бөліну. Бұл Ниер қолданған әдіс еді. Электромагниттік бөліну принципі зарядталған иондар магнит өрісінде бұрылады, ал жеңіл иондар ауыр иондарға қарағанда көбірек бұрылады. Мод комитеті, кейін оның американдық әріптесі, Ғылыми зерттеулер және даму басқармасының (OSRD) S 1 бөлімі электромагниттік әдісті қабылдамауының себебі, массалық спектрометр изотоптарды бөлуге қабілетті болса да, өте төмен өнімділік берді. Бұған себеп – кеңістіктегі зарядтың шектеулілігі. Оң иондар оң зарядқа ие, сондықтан олар бір-бірін итермелейді, бұл сәуленің шашырауына себеп болады. Лоуренс циклотронды ойлап тапқаннан кейін зарядталған бөлшектер сәулесін дәл бақылау тәжірибесіне сүйене отырып, вакуумдық камерадағы ауа молекулалары иондарды бейтараптандырып, фокустелген сәуле жасайды деп күдіктенді. Олифант Лоуренске өзінің ескі циклотронын изотоптарды бөлу үшін алып массалық спектрометрге айналдыруды ұсынды. Берклидегі 37 дюймдік циклотрон 1941 жылдың 24 қарашасында бөлшектелді және оның магниті алғашқы калутрон жасауға пайдаланылды. Оның аты Калифорния университеті мен циклотрондан шыққан. Бұл жұмысты радиациялық зертхана өзінің қаражатынан, зерттеу корпорациясының 5000 доллар грантымен қаржыландырды. Желтоқсан айында Лоуренс S1 Уран комитетінің 400 000 доллар грантын алды. Калутрон ион көзінен тұрады, ол қорап түрінде, жарығы мен ішінде ыстық талшықтары бар. Уран тетрахлориді сүтқоры арқылы иондалады, содан кейін вакуумдық камераға тесік арқылы өтеді. Магнит иондық сәулелерді 180° бұруға пайдаланылды. Байтылған және кемітілген сәулелер коллекторларға жіберілді. Калутрон 1941 жылдың 2 желтоқсанында алғаш рет жұмыс істегенде, жапон армиясы Перл-Харборға шабуыл жасағаннан бірнеше күн бұрын, АҚШ-ты Екінші дүниежүзілік соғысқа әкелгенде, коллектор 5 микроампер (μА) уран сәулесінің қарқындылығын алды. Лоуренстің вакуумдық камерадағы ауа молекулаларының әсері туралы болжамы расталды. 1942 жылдың 14 қаңтарында 50 мкА сәулесімен тоғыз сағат бойы 18 микрограмм (мкг) 25% уран-235-ке байытылған уран өндірілді, бұл Ниер өндіргенге қарағанда шамамен он есе көп. Ақпан айына қарай техниканы жақсарту оған 1400 мкА сәуле жасауға мүмкіндік берді. Сол айда 75 мкг үлгілер 30% дейін байытылып, британдықтарға және Чикагодағы Металлургиялық зертханаға жіберілді. Басқа зерттеушілер де электромагниттік изотоптарды бөлуді зерттеді. Принстон университетінде Генри Д. Смит пен Роберт Р. Уилсон басқаратын топ клыстронды пайдаланып, магнит емес, жоғары кернеулі электр арқылы изотоптарды бөлуге қабілетті құрылғыны, яғни изотронды жасады. Жұмыс 1943 жылдың ақпан айына дейін жалғасты, содан кейін калутронның үлкен жетістіктеріне байланысты тоқтатылды және команда басқа міндеттерге ауыстырылды. Корнелл университетінде Ллойд П. Смит басқаратын топ, оның ішінде Уильям Е. Паркинс және А. Теодор Форрестер радиалды магниттік сепараторды ойлап тапты. Олар өз сәулелерінің күтілгеннен дәлірек екеніне таң қалды және Лоуренс сияқты, бұл вакуумдық камерадағы ауаның сәулені тұрақтандыруының нәтижесі екенін түсінді. 1942 жылдың ақпанында олардың командасы Берклидегі Лоуренс командасымен біріктірілді.

News of the discovery of nuclear fission by German chemists Otto Hahn and Fritz Strassmann in 1938, and its theoretical explanation by Lise Meitner and Otto Frisch, was brought to the United States by Niels Bohr. Based on his liquid drop model of the nucleus, he theorized that it was the uranium 235 isotope and not the more abundant uranium 238 that was primarily responsible for fission with thermal neutrons. To verify this Alfred O. C. Nier at the University of Minnesota used a mass spectrometer to create a microscopic amount of enriched uranium 235 in April 1940. John R. Dunning, Aristid von Grosse and Eugene T. Booth were then able to confirm that Bohr was correct. Leo Szilard and Walter Zinn soon confirmed that more than one neutron was released per fission, which made it almost certain that a nuclear chain reaction could be initiated, and therefore that the development of an atomic bomb was a theoretical possibility. There were fears that a German atomic bomb project would develop one first, especially among scientists who were refugees from Nazi Germany and other fascist countries. At the University of Birmingham in Britain, the Australian physicist Mark Oliphant assigned two refugee physicists—Otto Frisch and Rudolf Peierls—the task of investigating the feasibility of an atomic bomb, ironically because their status as enemy aliens precluded their working on secret projects like radar. Their March 1940 Frisch–Peierls memorandum indicated that the critical mass of uranium 235 was within an order of magnitude of 10 kg, which was small enough to be carried by a bomber of the day. The British Maud Committee then unanimously recommended pursuing the development of an atomic bomb. Britain had offered to give the United States access to its scientific research, so the Tizard Mission's John Cockcroft briefed American scientists on British developments. He discovered that the American project was smaller than the British, and not as far advanced. A disappointed Oliphant flew to the United States to speak to the American scientists. These included Ernest Lawrence at the University of California's Radiation Laboratory in Berkeley. The two men had met before the war, and were friends. Lawrence was sufficiently impressed to commence his own research into uranium. Uranium 235 makes up only about 0.72% of natural uranium, so the separation factor of any uranium enrichment process needs to be higher than 1250 to produce 90% uranium 235 from natural uranium. The Maud Committee had recommended that this be done by a process of gaseous diffusion, but Oliphant had pioneered another technique in 1934: electromagnetic separation. This was the process that Nier had used. The principle of electromagnetic separation is that charged ions are deflected by a magnetic field, and lighter ones are deflected more than heavy ones. The reason the Maud Committee, and later its American counterpart, the S 1 Section of the Office of Scientific Research and Development (OSRD), had passed over the electromagnetic method was that while the mass spectrometer was capable of separating isotopes, it produced very low yields. The reason for this was the so called space charge limitation. Positive ions have positive charge, so they tend to repel each other, which causes the beam to scatter. Drawing on his experience with the precise control of charged particle beams from his work with his invention, the cyclotron, Lawrence suspected that the air molecules in the vacuum chamber would neutralize the ions, and create a focused beam. Oliphant inspired Lawrence to convert his old cyclotron into a giant mass spectrometer for isotope separation. The 37 inch cyclotron at Berkeley was dismantled on 24 November 1941, and its magnet used to create the first calutron. Its name came from California University and cyclotron. The work was initially funded by the Radiation Laboratory from its own resources, with a $5,000 grant from the Research Corporation. In December Lawrence received a $400,000 grant from the S 1 Uranium Committee. The calutron consisted of an ion source, in the form of a box with a slit in it and hot filaments inside. Uranium tetrachloride was ionized by the filament, and then passed through a slot into a vacuum chamber. The magnet was then used to deflect the ion beam by 180°. The enriched and depleted beams went into collectors. When the calutron was first operated on 2 December 1941, just days before the Japanese attack on Pearl Harbor brought the United States into World War II, a uranium beam intensity of 5 microamperes (μA) was received by the collector. Lawrence's hunch about the effect of the air molecules in the vacuum chamber was confirmed. A nine hour run on 14 January 1942 with a 50 μA beam produced 18 micrograms (μg) of uranium enriched to 25% uranium 235, about ten times as much as Nier had produced. By February, improvements in the technique allowed it to generate a 1,400 μA beam. That month, 75 μg samples enriched to 30% were shipped to the British and the Metallurgical Laboratory in Chicago. Other researchers also investigated electromagnetic isotope separation. At Princeton University, a group led by Henry D. Smyth and Robert R. Wilson developed a device known as an isotron. Using a klystron, they were able to separate isotopes using high voltage electricity rather than magnetism. Work continued until February 1943, when, in view of the greater success of the calutron, work was discontinued and the team was transferred to other duties. At Cornell University a group under Lloyd P. Smith that included William E. Parkins, and A. Theodore Forrester devised a radial magnetic separator. They were surprised that their beams were more precise than expected, and, like Lawrence, deduced that it was a result of stabilization of the beam by air in the vacuum chamber. In February 1942, their team was consolidated with Lawrence's in Berkeley.

Зерттеу

Бұл әдістің тиімділігі дәлелденгенмен, прототипті далалық сынақтан өткізу үшін әлі де көп күш-жігер қажет болды. Лоуренс проблемаларды шешу үшін физиктер тобын жинады, оның ішінде Дэвид Бом, Эдвард Кондон, Дональд Кукси, А. Теодор Форрестер, Ирвинг Лангмуир, Кеннет Росс Маккензи, Франк Оппенгеймер, Дж. Роберт Оппенгеймер, Уильям Э. Паркинс, Бернард Петерс және Джозеф Слепян. 1943 жылдың қарашасында оларға Олифант басқарған британдық миссия қосылды, оның құрамына австралиялық физиктер Гарри Масси мен Эрик Бурхоп, сондай-ақ Джоан Курран мен Томас Алибоун сияқты британдық физиктер кірді. Лоуренс Берклиде магнит орнатылған үлкен циклотронды жасап жатты. Бұл құрылғы 1942 жылдың 26 мамырында алғаш рет іске қосылған калутронға айналдырылды. 37 дюймдік нұсқасы сияқты, жоғарыдан қарағанда бұл үлкен С әрпіне ұқсайды. Оператор ашық жағында отырды, онда температураны реттеуге, электродтардың орналасуын түзетуге және тіпті ауа шлюзі арқылы компоненттерді ауыстыруға болады. Жаңа, қуатты калутрон байытылған уран өндіру үшін емес, бірнеше иондық көздермен тәжірибе жүргізу үшін пайдаланылды. Бұл коллекторлардың санын арттырды, бірақ өнімділікті де көбейтті. Проблема сәулелердің бір-біріне кедергі келтіріп, «шу» деп аталатын тербелістер тізбегін тудыруында болды. 1942 жылдың қыркүйек айында кедергіні азайтуға мүмкіндік беретін және жақсы сәулелерді алуға әкелетін әдіс табылды. Роберт Оппенгеймер мен Стэн Франкель магнит өрісінің біртектілігін реттеуге арналған магниттік түзетушіні ойлап тапты. Бұл шамамен 1 метр ені бар темір парақтар болды, олар вакуумдік резервуардың үстіне және астына бекітілді. Түзетушілердің әсері магнит өрісін сәл күшейтіп, иондық сәулені шоғырландыруға көмектесті. Түзетушілер бойынша жұмыс 1943 жылға дейін жалғасты. Негізгі калутрон патенттері: Материалдарды бөлу әдістері мен құралдары (Лоуренс), Магниттік түзетушілер (Оппенгеймер және Франкель).

While the process had been demonstrated to work, considerable effort was still required before a prototype could be tested in the field. Lawrence assembled a team of physicists to tackle the problems, including David Bohm, Edward Condon, Donald Cooksey, A. Theodore Forrester, Irving Langmuir, Kenneth Ross MacKenzie, Frank Oppenheimer, J. Robert Oppenheimer, William E. Parkins, Bernard Peters and Joseph Slepian. In November 1943 they were joined by a British Mission headed by Oliphant that included fellow Australian physicists Harrie Massey and Eric Burhop, and British physicists such as Joan Curran and Thomas Allibone. Lawrence had a large cyclotron under construction at Berkeley, one with a magnet. This was converted into a calutron that was switched on for the first time on 26 May 1942. Like the 37 inch version, it looked like a giant C when viewed from above. The operator sat in the open end, whence the temperature could be regulated, the position of the electrodes adjusted, and even components replaced through an airlock while it was running. The new, more powerful calutron was not used to produce enriched uranium, but for experiments with multiple ion sources. This meant having more collectors, but it multiplied the throughput. The problem was that the beams interfered with each other, producing a series of oscillations called hash. An arrangement was devised that minimized the interference, resulting in reasonably good beams being produced, in September 1942. Robert Oppenheimer and Stan Frankel invented the magnetic shim, a device used to adjust the homogeneity of a magnetic field. These were sheets of iron about 3 feet (1 m) in width that were bolted to the top and bottom of the vacuum tank. The effect of the shims was to slightly increase the magnetic field in such a way as to help focus the ion beam. Work would continue on the shims through 1943. The main calutron patents were Methods of and apparatus for separating materials (Lawrence), Magnetic shims (Oppenheimer and Frankel),

Бурхоп пен Бом кейін магниттік өрістердегі электр разрядтарының сипаттамаларын зерттеді, бұл қазір Бом диффузиясы деп белгілі. Олардың магниттік қоршаудағы плазманың қасиеттері туралы еңбектері соғыстан кейінгі әлемде бақыланатын ядролық синтезді зерттеуде қолданылды. Басқа техникалық мәселелер де маңызды болды, бірақ олар бұдан да қарапайым болды. Сәулелердің қарқындылығы төмен болғанымен, олар көп сағат бойы жұмыс істесе, коллекторларды еріте алатын еді. Сондықтан коллекторларға және резервуардың қаптамасына сумен салқындату жүйесі қосылды. Вакуумдік резервуардың ішінде жиналған «қоқысты» тазалау процедуралары әзірленді. Атап айтқанда, ойықтардың «ластанған» заттармен бітелуі иондық сәулелердің фокусын жоғалтуына немесе толығымен тоқтауына себеп болды. Химиктер уран тотығынан уран тетрахлоридін (UCl4) өндірудің жолын табуға тиіс болды. (Ниер уран бромидін қолданған.) Бастапқыда олар оны уран триоксидін (UO3) уран диоксидіне (UO2) азайту үшін сутегін қолдану арқылы өндірді, содан кейін уран тетрахлоридін алу үшін көміртек тетрахлоридімен (CCl4) әрекеттестірді. Чарльз А. Краус ірі көлемде өндіріс үшін жақсы әдіс ұсынды, ол уран оксидін жоғары температура мен қысымда көміртек тетрахлоридімен реакциялауды қамтиды. Бұл уран пентахлоридін (UCl5) және фосгенді өндірді. Газды диффузия процесінде қолданылатын уран гексафториді сияқты зиянды емес болғанымен, уран тетрахлориді гигроскопиялық, сондықтан онымен жұмыс істеу фосфор пентоксидімен құрғақ сақталатын қолғап қораптарында жүргізілуі керек еді. Бірінші дүниежүзілік соғыста химиялық қару ретінде 85 000 адамның өліміне себеп болған фосгеннің болуы химиктерден оны қолданғанда газ маскаларын киюді талап етті. Электромагниттік процестің зерттеулері мен дамуына жұмсалған 19,6 миллион доллардың 18 миллионы (92 пайызы) Берклидегі Радиациялық зертханада жұмсалды, ал қалған жұмыстар Браун университетінде, Джонс Хопкинс университетінде және Пердью университетінде, сондай-ақ Теннесси Истман корпорациясында жүргізілді. 1943 жылы зерттеулерге басымдық беріліп, инженерлік-конструкторлық жұмыстар, жұмысшыларды Теннесси штатының Оук Ридж қаласындағы Клинтон инженерлік кешеніндегі өндіріс орындарын басқаруға даярлау жүргізілді. 1944 жылдың ортасына қарай Радиациялық зертханада 1200-ге жуық адам жұмыс істеді.

Burhop and Bohm later studied the characteristics of electric discharges in magnetic fields, today known as Bohm diffusion. Their papers on the properties of plasmas under magnetic containment would find usage in the post war world in research into controlled nuclear fusion. Other technical problems were more mundane but no less important. Although the beams had low intensity, they could, over many hours of operation, still melt the collectors. A water cooling system was therefore added to the collectors and the tank liner. Procedures were developed for cleaning the "gunk" that condensed inside the vacuum tank. A particular problem was blockage of the slits by "crud", which caused the ion beams to lose focus, or stop entirely. The chemists had to find a way of producing quantities of uranium tetrachloride (UCl4) from uranium oxide. (Nier had used uranium bromide.) Initially, they produced it by using hydrogen to reduce uranium trioxide (UO3) to uranium dioxide (UO2), which was then reacted with carbon tetrachloride (CCl4) to produce uranium tetrachloride. Charles A. Kraus proposed a better method for large scale production that involved reacting the uranium oxide with carbon tetrachloride at high temperature and pressure. This produced uranium pentachloride (UCl5) and phosgene While nowhere near as nasty as the uranium hexafluoride used by the gaseous diffusion process, uranium tetrachloride is hygroscopic, so work with it had to be undertaken in gloveboxes that were kept dry with phosphorus pentoxide The presence of phosgene, a lethal gas responsible for 85,000 deaths as a chemical weapon during World War I, required that the chemists wear gas masks when handling it. Of the $19.6 million spent on research and development of the electromagnetic process, $18 million (92 percent) was spent at the Radiation Laboratory in Berkeley, and further work conducted at Brown University, Johns Hopkins University and Purdue University, and by the Tennessee Eastman corporation. During 1943, the emphasis shifted from research to development, engineering, and the training of workers to operate the production facilities at the Clinton Engineer Works in Oak Ridge, Tennessee. By the middle of 1944, there were nearly 1,200 people working at the Radiation Laboratory.

Дизайн

Электромагниттік процестердегі үлкен жетістіктердің көп бөлігі Лоуренстің басшылық стиліне байланысты болуы мүмкін. Оның батылдығы, оптимизмі және ынтасы жұқпалы болды. Оның қызметкерлері ұзақ сағаттар бойы жұмыс істеді, ал Калифорния университетінің әкімшілері жобаның не туралы екенін білмесе де, бюрократиялық кедергілерді жоюға көмектесті. Үкімет шенеуніктері соғыстың нәтижесіне әсер ететіндей етіп атом бомбасын жасау мүмкіндігін шын мәнінде қарастыра бастады. Жобаны қадағалап отырған OSRD директоры Ванневар Буш 1942 жылдың ақпан айында Берклиге сапар шегіп, ондағы атмосфераны «көтеріңкі» және «жаңартушы» деп тапты. 1942 жылдың 9 наурызында ол президент Франклин Д. Рузвельтке 1943 жылдың ортасына дейін бомбаға қажетті материалды өндіруге болатынын хабарлады, бұл Роберт Оппенгеймердің жаңа есептеулеріне негізделген, таза уран-235 сферасының сындық массасы 2,0 және 2,5 килограмм аралығында екенін көрсетті. 184 дюймдік магнитпен жүргізілген тәжірибелер XA деп аталған прототиптік калутронның құрылысына әкелді. Ол тіктөртбұрышты, үш орамды магниттен тұрды, оның көлденең өрісінде калутрон резервуарларын қатар орналастыруға болады, әрқайсысы екі көзді төрт вакуумдік резервуармен жабдықталған. 1942 жылдың 25 маусымында өткен S 1 Атқару комитетінің отырысында, ол 19 маусымда S 1 Уран комитетін алмастырды, экономикалық және қауіпсіздік себептерімен Оук Ридждегі электромагниттік зауытты салу туралы ұсыныс жасалды, онда басқа Манхэттен жобасының уранды бөлу құрылғылары орналасқан. Лоуренс электромагниттік бөлу зауытын Берклиге жақын орналастыруға ниеттенгендіктен қарсылық білдірді. Калифорниядағы Шаста тоғаны ауданы 1942 жылдың қыркүйегіне дейін электромагниттік зауыт үшін қарастырылып келді, содан кейін Лоуренс қарсылығын тоқтатты. 25 маусымдағы отырыста Stone & Webster компаниясы жобалау және инженерлік жұмыстардың негізгі мердігері болып тағайындалды. Әскер 1942 жылдың 17 қыркүйегінде Манхэттен жобасының жауапкершілігін өз мойнына алды, бригадир генерал Лесли Р. Гроувз басшылық етті, бірақ әскер 1943 жылдың 1 мамырына дейін Калифорния университетімен жасалған келісімшарттарды OSRD-ден ресми түрде қабылдамады. Майор Томас Т. Креншоу 1942 жылдың тамызында Калифорниядағы инженер болып тағайындалды, ал капитан Харольд А. Фидлер оның көмекшісі болды. Креншоу Калифорния университетінің Доннер зертханасында кеңсесін құрды. 1942 жылдың қыркүйегінде S 1 Атқару комитеті бес резервуарлық пилоттық зауытты және 200 резервуарлық өндірістік зауытты салуды ұсынды. 1942 жылдың қазан айынан 1943 жылдың қараша айына дейін Гроувз Берклидегі Радиациялық зертханаға ай сайын барып тұрды. Газды диффузиялық зауыт немесе плутоний өндіретін ядролық реактормен салыстырғанда электромагниттік зауытты салуға көбірек уақыт кететіні және оған көбірек сирек материалдар, еңбек және электр энергиясы қажет болатыны туралы есептер келді. Сондықтан бөлінетін материалдың бір килограмының құны әлдеқайда жоғары болар еді. Екінші жағынан, баламалы процестер әлі де маңызды техникалық қиындықтарға тап болса, электромагниттік процесс жұмыс істейтінін дәлелдеді және бірден бөлінетін материалды өндіретін кезеңдерде құрылуы мүмкін еді. 14 қарашада Гроувз пилоттық зауытты тоқтатты және өндірістік зауытты дереу іске қосуды ұсынды. Радиациялық зертхана жыл соңына дейін Stone & Webster компаниясына өндірістік зауыттың алдын ала жобаларын жіберді, бірақ бір маңызды мәселе шешілмеген қалды. Оппенгеймер қаруға жарамды уранның 90% таза уран-235 болуы керек деп мәлімдеді. Эдвард Лофгрен мен Мартин Камен екінші байыту кезеңі болмаса, мұны жеткізуге болмайтынын ойлады.

Much of the great progress on the electromagnetic process can be attributed to Lawrence's leadership style. His audacity, optimism and enthusiasm were contagious. His staff put in long hours, and University of California administrators sliced through red tape despite not knowing what the project was about. Government officials began to view the development of atomic bombs in time to affect the outcome of the war as a genuine possibility. Vannevar Bush, the director of the OSRD, which was overseeing the project, visited Berkeley in February 1942, and found the atmosphere there "stimulating" and "refreshing". On 9 March 1942, he reported to the president, Franklin D. Roosevelt, that it might be possible to produce enough material for a bomb by mid 1943, based on new estimates from Robert Oppenheimer that the critical mass of a sphere of pure uranium 235 was between 2.0 and 2.5 kilograms. The experiments with the 184 inch magnet led to the construction of a prototype calutron called the XA. It contained a rectangular, three coil magnet with a horizontal field in which the calutron tanks could stand side by side, with four vacuum tanks, each with a double source. At the 25 June 1942 meeting of the S 1 Executive Committee, which had superseded the S 1 Uranium Committee on 19 June, there was a proposal to build the electromagnetic plant at Oak Ridge, where the other Manhattan Project uranium separation facilities would be located, for reasons of economy and security. Lawrence lodged an objection due to his desire to have the electromagnetic separation plant located much nearer to Berkeley. The Shasta Dam area in California remained under consideration for the electromagnetic plant until September 1942, by which time Lawrence had dropped his objection. The 25 June meeting also designated Stone & Webster as the primary contractor for the design and engineering. The Army assumed responsibility for the Manhattan Project on 17 September 1942, with Brigadier General Leslie R. Groves, Jr., as director, although the Army did not formally take over the contracts with the University of California from the OSRD until 1 May 1943. Major Thomas T. Crenshaw, Jr., became California Area Engineer in August 1942, with Captain Harold A. Fidler, who soon replaced him, as his assistant. Crenshaw established his office in the Donner Laboratory at the University of California. In September 1942, the S 1 Executive Committee recommended that a five tank pilot plant be built along with a 200 tank section of a production plant. Between October 1942 and November 1943, Groves paid monthly visits to the Radiation Laboratory in Berkeley. Reports indicated that compared to the alternatives of a gaseous diffusion plant or a plutonium producing nuclear reactor, an electromagnetic plant would take longer and require more scarce materials to build, and need more manpower and more electricity to operate. The cost of a kilogram of fissile material would therefore be much greater. On the other hand, while the alternative processes still faced considerable technical obstacles, the electromagnetic process was proven to work, and could be built in stages that would immediately start producing fissile material. Groves cancelled the pilot plant on 14 November, in favor of proceeding immediately with the production plant. The Radiation Laboratory forwarded the preliminary designs for a production plant to Stone & Webster before the end of the year, but one important issue remained unsettled. Oppenheimer contended that weapons grade uranium would have to be 90% pure uranium 235. Edward Lofgren and Martin Kamen thought that this could not be achieved without a second stage of enrichment. then worth over $600 million. Nichols had to provide a monthly accounting to the Treasury. The silver bars were taken under guard to the Defense Plant Corporation in Carteret, New Jersey, where they were cast into cylindrical billets, and then to Phelps Dodge in Bayway, New Jersey, where they were extruded into strips thick, wide and 40 feet (12 m) long. Some 258 carloads were shipped under guard by rail to Allis Chalmers in Milwaukee, Wisconsin, where they were wound onto magnetic coils and sealed into welded casings. Finally, they moved by unguarded flatcars to the Clinton Engineer Works. There, special procedures were instituted for handling the silver. When they had to drill holes in it, they did so over paper so that the filings could be collected. After the war, all the machinery was dismantled and cleaned and the floorboards beneath the machinery were ripped up and burned to recover minute amounts of silver. In the end, or less than 0.036% was lost. The XAX racetrack with two tanks and three coils was ready to train workers in August 1943. Bugs were discovered, but were not aggressively followed up. The first Alpha process building, 9201 1, was completed on 1 November 1943. When the first racetrack was started up for testing on schedule in November, the 14 ton vacuum tanks crept out of alignment by as much as because of the power of the magnets and had to be fastened more securely. A more serious problem arose when the magnetic coils started shorting out. In December Groves ordered a magnet broken open, and handfuls of rust were found inside. Moisture was also a problem in its own right, as was the winding of the wire, which was too tight. Groves ordered the racetracks to be torn down and the magnets sent back to the factory to be cleaned and rewound. Rigid standards for preparation and cleanliness were instituted to prevent a recurrence of these problems. Training for the Beta tracks shifted from the XAX to the XBX training and development racetrack in November 1943. A second Alpha I racetrack became operational in January 1944. The first Beta racetrack and the third and first Alpha racetracks, now repaired, became operational in March 1944, and the fourth Alpha racetrack in April 1944. A third building, 9201 3, contained a fifth racetrack that incorporated some modifications, and was known as Alpha I1/2. This became operational on 3 June 1944. Work on the Alpha and Beta chemistry buildings, 9202 and 9203, commenced in February 1943, and was completed in September. Work on the Beta process building, 9204 1, began in May 1943, and was ready for operation on 13 March 1944, but was not completed until September 1944. Groves authorized Alpha II in September 1943. This consisted of two new Alpha process buildings, 9201 4 and 9201 5, another Beta, 9204 2, an extension to the Alpha chemistry building, and a new Beta chemistry building, 9206. When 9206 opened, the old Beta chemistry building, 9203, was converted into a laboratory. Work started on the new Alpha II process buildings on 2 November 1943; the first racetrack was completed in July 1944, and all four were operational by 1 October 1944. The Alpha II racetracks were configured in a linear layout rather than an oval, although they were still called racetracks. In all, there were 864 Alpha calutrons, arranged in nine racetracks of 96. There were only 36 calutrons in each Beta racetrack, for a total of 288 calutrons, although only 216 of them were ever operated. Work on the new Beta process building commenced on 20 October 1943. Equipment installation began on 1 April 1944, and it was ready for use on 10 September 1944. A third Beta process building, 9204 3, was authorized in May 1944 to process the output of the K 25 gaseous diffusion plant. It was completed on 15 May 1945. A fourth Beta process building, 9204 4, was authorized on 2 April 1945 and was completed by 1 December 1945. A new group of Alpha chemistry buildings known as the 9207 group was commenced in June 1944, but work was halted in June 1945 before they were completed. Along with these main buildings, there were offices, workshops, warehouses and other structures. There were two steam plants for heating, and a power plant for electricity.

Операциялар

Альфа жарыс трассалары 96 калутронға арналған Альфа резервуарларын сыйдыратын XA калутронының 24 есе үлкейтілген нұсқасы болды. Калутрондар тік орнатылып, ішкі және сыртқы машиналардың жұптарымен бір-біріне қарама-қарсы бағытталған. Магниттік жоғалтуларды азайту және болатты үнемдеу мақсатында, құрылым 122 фут (37 метр) ұзындығы, 77 фут (23 метр) ені және 15 фут (5 метр) биіктігі бар, жарыс трассасы пішіндес, жабық магниттік цикл құрайтын сопақша нысанға иіліп орналастырылды; осыдан оның аты шықты. 1947 жылы Оук-Ридж ұлттық зертханасының (ORNL) директоры Юджин Вигнер Атом энергиясы комиссиясынан физикалық тәжірибелер үшін изотоптар өндіруге Бета калутрондарын пайдалануға рұқсат сұрады. Рұқсат берілді және кең ауқымдағы изотоптар өндірілді. Бета калутрондарынан алынған литий-6 термоядролық қаруды зерттеуде қолданылды. Көптеген басқа изотоптар бейбіт ғылыми және медициналық мақсаттарда пайдаланылды. Бета 3 жарыс трассалары 1950 жылдың наурыз айында ORNL-ге берілді. 2015 жылға дейін олар күшін жоғалтпай, дайын күйде сақталып тұр.

Кеңес Одағы мен Қытай

АҚШ сияқты, Кеңес Одағы (КСРО) совет атом бомбасы жобасы үшін бірнеше байыту технологияларын зерттеді. 1946 жылы Германиядан әкелінген магнитті қолдана отырып, калютронмен электромагниттік сынақ жүргізілді. 1946 жылы Свердловск-45 қаласында электромагниттік зауыт салуға лайықты жер таңдалды. 418-зауыт деп аталған пилоттық зауыт 1948 жылы құрылысын аяқтады. Жаңа конструкцияда бөлшектердің сәулелері американдық калютрондағыдай 180° емес, 225° бұрылған. Газды диффузия процесінде техникалық қиындықтар туындағаннан кейін, уранды байыту процесін аяқтау үшін бұл әдіс қолданылды. 235 уранға дейін шамамен 40 пайызға дейін байытылған уран, соңғы байыту үшін 92-98 пайызға дейін Свердловск-45 қаласына жеткізілді. 1950 жылы газды диффузия процесіндегі мәселелер шешілгеннен кейін, толыққанды электромагниттік зауытты салудан бас тарту туралы шешім қабылданды. 2009 жылға дейін ол пайдалануда. 1960 жылдардың басында Қытайдың Пекин қаласындағы Атом Энергиясы Институтында КСРО-дағыдай бірдей конструкциямен төрт зерттеу және өндірістік калютрон салынды.

Ұлыбритания

1945 жылы британдық атом бомбасы жобасы Оксфордширдегі Харвелл қаласындағы Атом энергиясын зерттеу мекемесінде американдық Бета калутронына ұқсас конструкциямен 180° калутрон салды. Кейпенхерсттегі газды диффузия орналымының табысының арқасында, Ұлыбритания электромагниттік бөлуді жалғастырмады, ал калутрон изотоптарды зерттеу мақсатында қолданылды. 180° конструкциясы бұл мақсатқа толыққанды жарамайтындықтан, Харвелл 90° калутрон, HERMES, "ауыр элементтер мен радиоактивті материалдарды электромагниттік бөлуші" құрылысын жасады. Ол Францияның SIDONIE және PARIS сепараторларынан, Париж IX университетінің Орсейдегі Рене Бернас зертханасынан, сондай-ақ Брюерс-ле-Шательдегі Атом энергиясы және баламалы энергия комиссариатының әскери зерттеу зертханасындағы PARSIFAL-дан шабыт алды.

Израиль, Жапония және Франция

Израиль, Жапония және Франция да кейбір зерттеу кальтрундарын салды, оның ішінде Сорек ядролық зерттеу орталығында SOLIS және MEIRA сепараторлары орналасқан. Сондай-ақ, 1967 жылы құрылған CERN-нің Изотоптарды бөліп шығаруға арналған желілік детекторы (ISOLDE) бар.

Үндістан

1974 жылғы 18 мамырда Үндістанның алғашқы ядролық сынағы үшін қажетті плутонийді өндіру үшін Үндістанның Бидан Нагар қаласындағы Ядролық физика институтының Саха бөлімшесіндегі калутрон қолданылды.

Ирак

1990-1991 жылдардағы Персы шығанағы соғысынан кейін БҰҰ-ның Ирактағы қаруды бақылау комиссиясы (ЮНСКОМ) Ирактың уранды байыту үшін калутрон бағдарламасын іске асырғанын анықтады. Ирак электромагниттік әдісті, одан заманауи, экономикалық және тиімді байыту тәсілдерінен басымдық берді, себебі калутрон құрастыру оңайырақ болды, техникалық қиындықтар аз болды және оларды жасауға қажетті компоненттер экспорттық бақылауға ұшырамады. Бағдарлама ашылған кезде Ирактың ядролық қаруға қажетті материалды өндіруге екі-үш жылдай уақыт қалған еді. Бағдарлама Персы шығанағы соғысында жойылды. Осының салдарынан Ядролық жеткізушілер тобы (Nuclear Suppliers Group) электромагниттік ажырату жабдықтарын ядролық салаға қатысты екі мақсатта қолданылатын жабдықтар, материалдар және технологияларды беру ережелеріне қосты.