Калутрон: Масс-спектрометр для разделения изотопов урана.

Введение

Масс-спектрометр

Калутрон — это масс-спектрометр, первоначально разработанный и использовавшийся для разделения изотопов урана. Он был разработан Эрнестом Лоуренсом во время Манхэттенского проекта и основывался на его более раннем изобретении — циклотроне. Название происходит от «California University Cyclotron» в честь Калифорнийского университета, где он был изобретен. Калутроны использовались в промышленных масштабах на заводе по обогащению урана Y-12 на Клинтонском инженерном комплексе в Оук-Ридже, штат Теннесси. Обогащенный уран, полученный в результате, был использован в атомной бомбе «Малыш», сброшенной на Хиросиму 6 августа 1945 года. Калутрон является типом секторального масс-спектрометра — прибора, в котором образец ионизируется, затем ускоряется электрическими полями и отклоняется магнитными полями. Ионы в конечном итоге сталкиваются с пластиной, создавая измеримый электрический ток. Поскольку ионы различных изотопов имеют одинаковый электрический заряд, но разную массу, более тяжелые изотопы отклоняются магнитным полем в меньшей степени, что приводит к разделению пучка частиц на несколько пучков в зависимости от массы, которые попадают на пластину в разных точках. Массу ионов можно рассчитать, исходя из силы поля и заряда ионов. Во время Второй мировой войны калутроны были разработаны для использования этого принципа с целью получения значительных количеств высокочистого урана-235, используя небольшую разницу в массе между изотопами урана. После войны электромагнитное разделение для обогащения урана было заменено более сложным, но более эффективным методом газовой диффузии. Хотя большинство калутронов, использовавшихся в Манхэттенском проекте, были демонтированы по окончании войны, некоторые продолжали использоваться для производства изотопно обогащенных образцов природных элементов для военных, научных и медицинских целей.

Происхождение

Новость об открытии ядерного деления немецкими химиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году и его теоретическое объяснение Лизой Майтнер и Отто Фришем была доставлена в Соединенные Штаты Нильсом Бором. Основываясь на его капельной модели ядра, он предположил, что именно изотоп урана-235, а не более распространенный уран-238, в первую очередь отвечает за деление под действием тепловых нейтронов. Для проверки этого Альфред О.К. Ниер из Университета Миннесоты использовал масс-спектрометр для получения микроскопического количества обогащенного урана-235 в апреле 1940 года. Джон Р. Даннинг, Аристид фон Гроссе и Юджин Т. Бут затем смогли подтвердить правоту Бора. Лео Силард и Уолтер Зинн вскоре подтвердили, что при каждом делении высвобождается более одного нейтрона, что почти наверняка означало возможность инициирования ядерной цепной реакции и, следовательно, теоретическую возможность создания атомной бомбы. Существовали опасения, что немецкий проект по созданию атомной бомбы опередит другие, особенно среди ученых, бежавших из нацистской Германии и других фашистских стран. В Бирмингемском университете в Великобритании австралийский физик Марк Олифант поручил двум физикам-беженцам – Отто Фришу и Рудольфу Пейерлсу – исследовать осуществимость создания атомной бомбы, иронично, потому что их статус вражеских иностранцев не позволял им работать над секретными проектами, такими как радар. В мартовском меморандуме Фриша – Пейерлса 1940 года указывалось, что критическая масса урана-235 составляет около 10 кг, что достаточно мало для транспортировки бомбардировщиком того времени. Британский комитет Мод единогласно рекомендовал продолжить разработку атомной бомбы. Великобритания предложила предоставить Соединенным Штатам доступ к своим научным исследованиям, поэтому Джон Кокрофт из миссии Тизард проинформировал американских ученых о британских разработках. Он обнаружил, что американский проект меньше и менее продвинут, чем британский. Разочарованный Олифант отправился в Соединенные Штаты, чтобы поговорить с американскими учеными, включая Эрнеста Лоуренса из Лаборатории радиации Калифорнийского университета в Беркли. Они знали друг друга до войны и были друзьями. Лоуренс был достаточно впечатлен, чтобы начать собственные исследования в области урана. Уран-235 составляет всего около 0,72% природного урана, поэтому коэффициент разделения любого процесса обогащения урана должен быть выше 1250 для получения 90% урана-235 из природного урана. Комитет Мод рекомендовал использовать процесс газовой диффузии, но Олифант в 1934 году разработал другой метод: электромагнитное разделение. Именно этот процесс использовал Ниер. Принцип электромагнитного разделения заключается в том, что заряженные ионы отклоняются магнитным полем, при этом более легкие отклоняются сильнее, чем тяжелые. Комитет Мод, а позже его американский аналог, Секция S1 Управления научных исследований и разработок (OSRD), отказались от электромагнитного метода, поскольку, хотя масс-спектрометр и способен разделять изотопы, он давал очень низкие выходы. Причиной этого было так называемое ограничение космического заряда. Положительные ионы имеют положительный заряд, поэтому они склонны отталкиваться друг от друга, что приводит к рассеиванию пучка. Опираясь на свой опыт точного контроля пучков заряженных частиц, полученный в работе над своим изобретением – циклотроном, Лоуренс предположил, что молекулы воздуха в вакуумной камере нейтрализуют ионы и создают сфокусированный пучок. Олифант вдохновил Лоуренса переоборудовать свой старый циклотрон в гигантский масс-спектрометр для разделения изотопов. 37-дюймовый циклотрон в Беркли был демонтирован 24 ноября 1941 года, а его магнит использовался для создания первого калутрона. Его название произошло от Калифорнийского университета и циклотрона. Работа первоначально финансировалась Лабораторией радиации из собственных средств, с грантом в 5000 долларов от Исследовательской корпорации. В декабре Лоуренс получил грант в размере 400 000 долларов от Комитета по урану S1. Калутрон состоял из источника ионов в виде коробки со щелью и горячими нитями внутри. Тетрахлорид урана ионизировался нитью, а затем поступал через щель в вакуумную камеру. Затем магнит использовался для отклонения ионного пучка на 180°. Обогащенные и обедненные пучки поступали в коллекторы. Когда калутрон был впервые запущен 2 декабря 1941 года, всего за несколько дней до нападения японцев на Перл-Харбор, которое втянуло Соединенные Штаты во Вторую мировую войну, интенсивность пучка урана, полученного коллектором, составила 5 микроампер (мкА). Предположение Лоуренса о влиянии молекул воздуха в вакуумной камере подтвердилось. Девятичасовой запуск 14 января 1942 года с пучком в 50 мкА произвел 18 микрограммов (мкг) урана, обогащенного до 25% урана-235, что примерно в десять раз больше, чем произвел Ниер. К февралю усовершенствования техники позволили генерировать пучок в 1400 мкА. В этом месяце образцы по 75 мкг, обогащенные до 30%, были отправлены в Великобританию и Металлургическую лабораторию в Чикаго. Другие исследователи также изучали электромагнитное разделение изотопов. В Принстонском университете группа под руководством Генри Д. Смита и Роберта Р. Уилсона разработала устройство, известное как изотрон. Используя клистрон, они смогли разделять изотопы с помощью электричества высокого напряжения, а не магнетизма. Работа продолжалась до февраля 1943 года, когда, учитывая больший успех калутрона, работа была прекращена, а команда была переведена на другие обязанности. В Корнеллском университете группа под руководством Ллойда П. Смита, в которую входили Уильям Э. Паркинс и А. Теодор Форрестер, разработала радиальный магнитный сепаратор. Они были удивлены, что их пучки оказались более точными, чем ожидалось, и, как и Лоуренс, пришли к выводу, что это результат стабилизации пучка воздухом в вакуумной камере. В феврале 1942 года их команда была объединена с командой Лоуренса в Беркли.

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.

Исследования

Хотя процесс был продемонстрирован работоспособным, для испытания прототипа в полевых условиях все еще требовались значительные усилия. Лоуренс собрал команду физиков для решения проблем, включая Дэвида Бома, Эдварда Кондона, Дональда Кукси, А. Теодора Форрестера, Ирвинга Лангмуара, Кеннета Росса Маккензи, Фрэнка Оппенгеймера, Дж. Роберта Оппенгеймера, Уильяма Э. Паркинса, Бернарда Петерса и Джозефа Слепьяна. В ноябре 1943 года к ним присоединилась британская миссия во главе с Олифантом, в которую вошли австралийские физики Гарри Масси и Эрик Бурхоп, а также британские физики, такие как Джоан Курран и Томас Аллибон. У Лоуренса в Беркли строился большой циклотрон с магнитом. Он был преобразован в калютрон, который впервые включили 26 мая 1942 года. Как и 37-дюймовая версия, сверху он выглядел как гигантская буква «С». Оператор сидел в открытом конце, откуда можно было регулировать температуру, положение электродов и даже заменять компоненты через шлюз во время работы. Новый, более мощный калютрон использовался не для производства обогащенного урана, а для экспериментов с несколькими источниками ионов. Это требовало большего количества коллекторов, но увеличивало пропускную способность. Проблема заключалась в том, что пучки мешали друг другу, создавая серию колебаний, называемых «шумом». В сентябре 1942 года была разработана схема, которая минимизировала помехи, что позволило получать достаточно хорошие пучки. Роберт Оппенгеймер и Стэн Франкель изобрели магнитный шим – устройство для регулировки однородности магнитного поля. Это были железные листы шириной около метра, которые крепили к верхней и нижней частям вакуумного резервуара. Эффект от шимов заключался в незначительном увеличении магнитного поля, что помогало фокусировать ионный пучок. Работа над шимами продолжалась в 1943 году. Основные патенты на калютрон были: «Методы и аппаратура для разделения материалов» (Лоуренс), «Магнитные шимы» (Оппенгеймер и 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 и Бом позже изучали характеристики электрических разрядов в магнитных полях, известные сегодня как диффузия Бома. Их работы о свойствах плазмы под магнитным удержанием нашли применение в послевоенном мире в исследованиях управляемого ядерного синтеза. Другие технические проблемы были более прозаичными, но не менее важными. Хотя интенсивность пучков была низкой, при длительной работе они могли расплавлять коллекторы. Поэтому к коллекторам и резервуару была добавлена система водяного охлаждения. Были разработаны процедуры очистки «осадков», которые конденсировались внутри вакуумного резервуара. Особой проблемой была засорение щелей «грязью», из-за чего ионные пучки теряли фокус или полностью останавливались. Химикам пришлось найти способ получения тетрахлорида урана (UCl4) из оксида урана. (Ниер использовал бромид урана.) Первоначально они производили его, используя водород для восстановления триоксида урана (UO3) до диоксида урана (UO2), который затем реагировал с тетрахлоридом углерода (CCl4) с образованием тетрахлорида урана. Чарльз А. Краус предложил более эффективный метод для крупномасштабного производства, который заключался во взаимодействии оксида урана с тетрахлоридом углерода при высокой температуре и давлении. В результате получались пентахлорид урана (UCl5) и фосген. Хотя он и не так опасен, как гексафторид урана, используемый в процессе газовой диффузии, тетрахлорид урана гигроскопичен, поэтому с ним приходилось работать в перчаточных боксах, поддерживаемых в сухом состоянии пентоксидом фосфора. Присутствие фосгена, смертельного газа, который во время Первой мировой войны стал причиной 85 000 смертей в качестве химического оружия, требовало, чтобы химики носили противогазы при работе с ним. Из 19,6 миллиона долларов, потраченных на исследования и разработку электромагнитного процесса, 18 миллионов (92 процента) были потрачены в Радиационной лаборатории в Беркли, а дальнейшие работы проводились в Университете Брауна, Университете Джона Хопкинса и Университете Пердью, а также корпорацией Tennessee Eastman. В течение 1943 года акцент сместился с исследований на разработку, проектирование и обучение рабочих для эксплуатации производственных мощностей на Clinton Engineer Works в Оук-Ридже, штат Теннесси. К середине 1944 года в Радиационной лаборатории работало почти 1200 человек.

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

Большая часть успехов в электромагнитном процессе может быть отнесена к стилю руководства Лоуренса. Его дерзость, оптимизм и энтузиазм были заразительны. Его сотрудники работали по долгим часам, а администрация Калифорнийского университета упрощала бюрократические процедуры, даже не зная, в чем заключается проект. Правительственные чиновники стали рассматривать разработку атомных бомб как реальную возможность, способную повлиять на исход войны. Ванневар Буш, директор OSRD, курировавшего проект, посетил Беркли в феврале 1942 года и нашел там атмосферу "стимулирующей" и "освежающей". 9 марта 1942 года он доложил президенту Франклину Д. Рузвельту о том, что к середине 1943 года может быть произведено достаточно материала для бомбы, основываясь на новых оценках Роберта Оппенгеймера, согласно которым критическая масса сферы чистого урана-235 составляла от 2,0 до 2,5 килограммов. Эксперименты с 184-дюймовым магнитом привели к созданию прототипа калютрона, получившего название XA. Он включал в себя прямоугольный магнит с тремя катушками, создающий горизонтальное поле, в котором калютроны могли располагаться бок о бок, с четырьмя вакуумными камерами, каждая с двойным источником. На заседании 25 июня 1942 года Исполнительного комитета S-1, который заменил Комитет по урану S-1 19 июня, было предложено построить электромагнитный завод в Оук-Ридже, где располагались другие объекты по разделению урана в рамках Манхэттенского проекта, по соображениям экономии и безопасности. Лоуренс возражал, поскольку хотел, чтобы электромагнитный завод находился ближе к Беркли. Район плотины Шаста в Калифорнии рассматривался как место для электромагнитной установки до сентября 1942 года, после чего Лоуренс отказался от своих возражений. На заседании 25 июня Stone & Webster также была назначена основным подрядчиком по проектированию и строительству. Армия взяла на себя ответственность за Манхэттенский проект 17 сентября 1942 года, директором был бригадный генерал Лесли Р. Гроувс-младший, хотя армия официально не приняла контракты с Калифорнийским университетом от OSRD до 1 мая 1943 года. Майор Томас Т. Креншоу-младший стал инженером Калифорнийского района в августе 1942 года, а его помощником был капитан Гарольд А. Фидлер, который вскоре его сменил. Креншоу разместил свой офис в лаборатории Доннера в Калифорнийском университете. В сентябре 1942 года Исполнительный комитет S-1 рекомендовал построить пилотный завод из пяти резервуаров вместе с производственной секцией из 200 резервуаров. С октября 1942 года по ноябрь 1943 года Гроувс ежемесячно посещал Радиационную лабораторию в Беркли. В отчетах указывалось, что по сравнению с альтернативами в виде завода по газовой диффузии или ядерного реактора, производящего плутоний, электромагнитный завод потребует больше времени и дефицитных материалов для строительства, а также больше рабочей силы и электроэнергии для эксплуатации. Стоимость килограмма делящегося материала, следовательно, будет значительно выше. С другой стороны, в то время как альтернативные процессы все еще сталкивались со значительными техническими трудностями, электромагнитный процесс был доказан работоспособным и мог быть построен поэтапно, что позволило бы немедленно начать производство делящегося материала. 14 ноября Гроувс отменил пилотный завод в пользу немедленного начала строительства производственного завода. Радиационная лаборатория направила предварительные проекты производственного завода в Stone & Webster до конца года, но один важный вопрос оставался нерешенным. Оппенгеймер утверждал, что уран оружейного качества должен быть чистым ураном-235 на 90%. Эдвард Лофгрен и Мартин Камен считали, что этого нельзя достичь без второго этапа обогащения. Стоимость тогда превышала 600 миллионов долларов. Николс должен был ежемесячно отчитываться перед Казначейством. Серебряные слитки под охраной были доставлены в Корпорацию оборонных заводов в Картерете, штат Нью-Джерси, где их отливали в цилиндрические заготовки, а затем в Phelps Dodge в Bayway, штат Нью-Джерси, где их выдавливали в полосы толщиной, шириной и длиной 40 футов (12 метров). Около 258 вагонов с грузом под охраной были отправлены по железной дороге в Allis Chalmers в Милуоки, штат Висконсин, где их наматывали на магнитные катушки и герметично запаивали в сварные корпуса. В конечном итоге они были доставлены на открытых вагонах в Clinton Engineer Works. Там были введены специальные процедуры обращения с серебром. Когда им приходилось сверлить в нем отверстия, они делали это над бумагой, чтобы можно было собрать стружку. После войны все оборудование было разобрано и очищено, а напольные доски под оборудованием были сорваны и сожжены для извлечения мельчайших количеств серебра. В итоге было потеряно менее 0,036%. Гоночная трасса XAX с двумя резервуарами и тремя катушками была готова к обучению рабочих в августе 1943 года. Были обнаружены ошибки, но они не были активно устранены. Первое здание процесса Альфа, 9201-1, было завершено 1 ноября 1943 года. Когда первая гоночная трасса была запущена для испытаний в ноябре, 14-тонные вакуумные резервуары отклонялись от оси на расстояние до из-за мощности магнитов и должны были быть надежнее закреплены. Более серьезная проблема возникла, когда магнитные катушки начали замыкаться. В декабре Гроувс приказал разобрать магнит, и внутри были обнаружены пригоршни ржавчины. Влажность также была проблемой сама по себе, как и намотка проволоки, которая была слишком тугой. Гроувс приказал разобрать гоночные трассы и отправить магниты обратно на завод для очистки и перемотки. Были установлены строгие стандарты подготовки и чистоты для предотвращения повторения этих проблем. Обучение для трасс Бета было перенесено с XAX на тренировочную и опытно-конструкторскую гоночную трассу XBX в ноябре 1943 года. Вторая гоночная трасса Альфа I стала работоспособной в январе 1944 года. Первая гоночная трасса Бета и третья и первая гоночные трассы Альфа, теперь отремонтированные, стали работоспособными в марте 1944 года, а четвертая гоночная трасса Альфа - в апреле 1944 года. Третье здание, 9201-3, содержало пятую гоночную трассу, в которую были внесены некоторые изменения, и она была известна как Alpha I1/2. Она стала работоспособной 3 июня 1944 года. Работа над зданиями химии Альфа и Бета, 9202 и 9203, началась в феврале 1943 года и была завершена в сентябре. Работа над зданием процесса Бета, 9204-1, началась в мае 1943 года и была готова к эксплуатации 13 марта 1944 года, но была завершена только в сентябре 1944 года. Гроувс санкционировал Alpha II в сентябре 1943 года. Он состоял из двух новых зданий процесса Альфа, 9201-4 и 9201-5, еще одного Бета, 9204-2, расширения здания химии Альфа и нового здания химии Бета, 9206. Когда 9206 открылось, старое здание химии Бета, 9203, было преобразовано в лабораторию. Работа над новыми зданиями процесса Альфа II началась 2 ноября 1943 года; первая гоночная трасса была завершена в июле 1944 года, и все четыре были работоспособны к 1 октября 1944 года. Гоночные трассы Alpha II были расположены в линейном порядке, а не в овальном, хотя их все еще называли гоночными трассами. Всего было 864 калютрона Альфа, расположенных в девяти гоночных трассах по 96 штук. На каждой гоночной трассе Бета было всего 36 калютронов, в общей сложности 288 калютронов, хотя в эксплуатации было только 216 из них. Работа над новым зданием процесса Бета началась 20 октября 1943 года. Установка оборудования началась 1 апреля 1944 года, и оно было готово к использованию 10 сентября 1944 года. Третье здание процесса Бета, 9204-3, было санкционировано в мае 1944 года для переработки продукции завода газовой диффузии K-25. Оно было завершено 15 мая 1945 года. Четвертое здание процесса Бета, 9204-4, было санкционировано 2 апреля 1945 года и было завершено к 1 декабря 1945 года. Новая группа зданий химии Альфа, известная как группа 9207, началась в июне 1944 года, но работа была остановлена в июне 1945 года до ее завершения. Наряду с этими основными зданиями были офисы, мастерские, склады и другие сооружения. Было две паровые котельные для отопления и электростанция для электроэнергии.

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.

Операции

Альфа-установки представляли собой 24-кратное увеличение калутрона XA, способного вместить 96 калутронных резервуаров Альфа. Калутроны были установлены вертикально и размещены друг напротив друга парами – внутренними и внешними машинами. Для минимизации магнитных потерь и экономии стали конструкция была изогнута в овальную форму, образующую замкнутый магнитный контур длиной 122 фута (37 м), шириной 77 футов (23 м) и высотой 15 футов (5 м), в форме гоночной трассы, отсюда и название. В 1947 году Юджин Вигнер, директор Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL), обратился в Комиссию по атомной энергии с просьбой разрешить использовать бета-калутроны для производства изотопов для физических экспериментов. Разрешение было получено, и был произведен широкий спектр изотопов. Литий-6, полученный на бета-калутронах, использовался для исследований в области термоядерного оружия. Многие другие изотопы применялись в мирных научных и медицинских целях. Бета-3 установки были переданы в ORNL в марте 1950 года и по состоянию на 2015 год остаются в режиме ожидания.

Советский Союз и Китай

Как и Соединенные Штаты, Советский Союз (СССР) вел исследования нескольких технологий обогащения для советского проекта атомной бомбы. В 1946 году была проведена опытная электромагнитная обработка с использованием калютрона и магнита, доставленного из Германии. В 1946 году место для электромагнитного завода было выбрано в Свердловске-45. Пилотный завод, известный как завод №418, был завершен в 1948 году. Была разработана более эффективная конструкция, в которой пучки частиц отклонялись на 225° вместо 180°, как в американском калютроне. Он использовался для завершения процесса обогащения урана после возникновения технических трудностей с процессом газовой диффузии. Уран, обогащенный примерно до 40% урана-235, доставлялся в Свердловск-45 для окончательного обогащения до 92–98%. После устранения проблем с процессом газовой диффузии в 1950 году было решено отказаться от строительства полномасштабного электромагнитного завода. По состоянию на 2009 год он продолжает эксплуатироваться. В Китайском институте атомной энергии в Пекине в начале 1960-х годов было построено четыре исследовательских и производственных калютрона идентичной конструкции советским.

Великобритания

В 1945 году британский проект по созданию атомной бомбы построил калутрон на 180°, аналогичный по конструкции американскому бета-калутрону, в Исследовательском учреждении атомной энергии в Харвелле, Оксфордшир. Благодаря успеху газодиффузионного завода в Капенхерсте, электромагнитное разделение не было продолжено в Соединенном Королевстве, и калутрон использовался для разделения изотопов в исследовательских целях. Конструкция на 180° не подходила для этой цели, поэтому в Харвелле был построен 90° калутрон HERMES – "Электромагнитный сепаратор тяжелых элементов и радиоактивных материалов". Он был вдохновлен французскими сепараторами SIDONIE и PARIS, расположенными в лаборатории Рене Бернаса Парижского университета IX в Орсе, а также PARSIFAL, находившимся в военной исследовательской лаборатории Комиссариата по атомной энергии и альтернативным источникам энергии в Брюер-ле-Шатель.

Израиль, Япония и Франция

Израиль, Япония и Франция также построили несколько исследовательских кальтронов, включая сепараторы SOLIS и MEIRA в Исследовательском ядерном центре Soreq. Существует также онлайн-изотопный сепаратор-детектор (ISOLDE) в CERN, построенный в 1967 году.

Индия

Калутрон в Институте ядерной физики Сахи в Бидхан-Нагаре (Индия) использовался для получения плутония для первого ядерного взрыва Индии, проведенного 18 мая 1974 года.

Ирак

После войны в Персидском заливе 1990–1991 годов, ЮНСКОМ установила, что Ирак вел программу по обогащению урана с использованием калутронов. Ирак выбрал разработку электромагнитного метода обогащения вместо более современных, экономичных и эффективных технологий, поскольку калутроны было проще в строительстве, они представляли меньше технических сложностей, а компоненты, необходимые для их создания, не подлежали экспортному контролю. К моменту обнаружения программы, оценивалось, что Ираку оставалось два-три года до получения достаточного количества материала для создания ядерного оружия. Программа была уничтожена в ходе войны в Персидском заливе. Впоследствии, Группа ядерных поставщиков внесла оборудование для электромагнитного разделения в свои руководящие принципы, касающиеся передачи оборудования, материалов и технологий двойного назначения, связанных с ядерной сферой.