Металлургическая лаборатория Чикагского университета и Манхэттенский проект.

Введение

Металлургическая лаборатория (или Met Lab) была научной лабораторией при Чикагском университете, основанной в феврале 1942 года для изучения и использования недавно открытого химического элемента плутония. В ней исследовались химия и металлургия плутония, проектировались первые в мире ядерные реакторы для его производства и разрабатывались химические процессы для отделения плутония от других элементов. В августе 1942 года химический отдел лаборатории впервые в мире химически выделил взвешиваемую пробу плутония, а 2 декабря 1942 года в реакторе Chicago Pile 1, построенном под трибунами старого футбольного стадиона университета Stagg Field, была осуществлена первая управляемая ядерная цепная реакция. Металлургическая лаборатория была создана в рамках Металлургического проекта, также известного как проект "Pile" или "X 10", которым руководил чикагский профессор Артур Х. Комптон, лауреат Нобелевской премии. В свою очередь, этот проект являлся частью Манхэттенского проекта – союзнических усилий по разработке атомной бомбы во время Второй мировой войны. Металлургической лабораторией последовательно руководили Ричард Л. Доан, Сэмюэл К. Эллисон, Джойс С. Стернс и Фаррингтон Дэниелс. Среди ученых, работавших в лаборатории, были Энрико Ферми, Джеймс Франк, Юджин Вигнер и Гленн Сиборг. В июне 1942 года Комптон поручил Роберту Оппенгеймеру возглавить исследования по разработке бомбы, которые в ноябре выделились в отдельный проект Y. В период расцвета, 1 июля 1944 года, в Металлургической лаборатории работало 2008 сотрудников. Вскоре лаборатория перенесла Chicago Pile 1 на площадку A, более удаленное место в заповеднике Аргоннского леса, где из исходных материалов был построен усовершенствованный Chicago Pile 2 для новых исследований продуктов ядерного деления. Другой реактор, Chicago Pile 3, был построен на территории Аргонна в начале 1944 года. Он стал первым в мире реактором, использующим тяжелую воду в качестве нейтронного замедлителя. Реактор достиг критического состояния в мае 1944 года и впервые был запущен на полную мощность в июле 1944 года. Металлургическая лаборатория также спроектировала графитовый реактор X 10 на Клинтонских инженерных работах в Оук-Ридже (штат Теннесси) и реактор B на Ханфордских инженерных работах в штате Вашингтон. Помимо разработки реакторов, Металлургическая лаборатория изучала химию и металлургию плутония и сотрудничала с компанией DuPont в разработке бисмутофосфатного процесса для отделения плутония от урана. Когда стало очевидно, что ядерные реакторы будут использовать радиоактивные материалы в огромных масштабах, возникла серьезная обеспокоенность по поводу вопросов здоровья и безопасности, и изучение биологического воздействия радиации приобрело первостепенное значение. Было установлено, что плутоний, как и радий, накапливается в костях, что делает его особенно опасным. 1 июля 1946 года Металлургическая лаборатория стала первой из национальных лабораторий – Аргоннской национальной лабораторией. Работа Металлургической лаборатории также привела к созданию Института Энрико Ферми и Института Джеймса Франка при университете.

Former laboratory at the University of Chicago, part of the Manhattan Project

The Metallurgical Laboratory (or Met Lab) was a scientific laboratory at the University of Chicago that was established in February 1942 to study and use the newly discovered chemical element plutonium. It researched plutonium's chemistry and metallurgy, designed the world's first nuclear reactors to produce it, and developed chemical processes to separate it from other elements. In August 1942 the lab's chemical section was the first to chemically separate a weighable sample of plutonium, and on 2 December 1942, the Met Lab produced the first controlled nuclear chain reaction, in the reactor Chicago Pile 1, which was constructed under the stands of the university's old football stadium, Stagg Field. The Metallurgical Laboratory was established as part of the Metallurgical Project, also known as the "Pile" or "X 10" Project, headed by Chicago professor Arthur H. Compton, a Nobel Prize laureate. In turn, this was part of the Manhattan Project – the Allied effort to develop the atomic bomb during World War II. The Metallurgical Laboratory was successively led by Richard L. Doan, Samuel K. Allison, Joyce C. Stearns and Farrington Daniels. Scientists who worked there included Enrico Fermi, James Franck, Eugene Wigner and Glenn Seaborg. Compton assigned Robert Oppenheimer to take over the research into bomb design in June 1942, and that became the separate Project Y in November. At its peak on 1 July 1944, the Met Lab had 2,008 staff. Chicago Pile 1 was soon moved by the lab to Site A, a more remote location in the Argonne Forest preserves, where the original materials were used to build an improved Chicago Pile 2 to be employed in new research into the products of nuclear fission. Another reactor, Chicago Pile 3, was built at the Argonne site in early 1944. This was the world's first reactor to use heavy water as a neutron moderator. It went critical in May 1944, and was first operated at full power in July 1944. The Metallurgical Laboratory also designed the X 10 Graphite Reactor at the Clinton Engineer Works in Oak Ridge, Tennessee, and the B Reactor at the Hanford Engineer Works in the state of Washington. As well as the work on reactor development, the Metallurgical Laboratory studied the chemistry and metallurgy of plutonium, and worked with DuPont to develop the bismuth phosphate process used to separate plutonium from uranium. When it became certain that nuclear reactors would involve radioactive materials on a gigantic scale, there was considerable concern about the health and safety aspects, and the study of the biological effects of radiation assumed greater importance. It was discovered that plutonium, like radium, was a bone seeker, making it especially hazardous. The Metallurgical Laboratory became the first of the national laboratories, the Argonne National Laboratory, on 1 July 1946. The work of the Met Lab also led to the creation of the Enrico Fermi Institute and the James Franck Institute at the university.

Происхождение

Открытие ядерного деления урана немецкими химиками Отто Ханом и Фрицем Страсманном в декабре 1938 года, и его теоретическое объяснение (и наименование) Лизе Майтнер и Отто Фришем вскоре после этого, открыло возможность создания контролируемой ядерной цепной реакции нейтронами, образующимися при делении. В Колумбийском университете Энрико Ферми и Лео Силард приступили к изучению способов реализации этой возможности. В августе 1939 года Силард подготовил конфиденциальное письмо президенту США Франклину Д. Рузвельту, предупреждающее о возможности создания Германией ядерного оружия, и убедил своего давнего друга и коллегу Альберта Эйнштейна подписать его. Это привело к поддержке правительством США исследований в области ядерного деления. В апреле 1941 года Комитет по исследованиям в области национальной обороны (NDRC) попросил Артура Комптона, профессора физики Чикагского университета, лауреата Нобелевской премии, предоставить отчет о программе по урану. Нильс Бор и Джон Уилер предположили, что тяжелые изотопы с нечетными атомными номерами, такие как плутоний-239, являются делящимися. Эмилио Сегре и Гленн Сиборг в Калифорнийском университете в мае 1941 года получили 28 мкг плутония на 60-дюймовом циклотроне и обнаружили, что его сечение захвата тепловых нейтронов в 1,7 раза выше, чем у урана-235. Хотя небольшие количества плутония-239 можно было получать в циклотронах, производство значительных количеств таким способом было нецелесообразно. Комптон консультировался с Юджином Вигнером из Принстонского университета о способах получения плутония в ядерном реакторе, а с Робертом Сербером из Университета Иллинойса – о химическом разделении плутония, полученного в реакторе, от урана, из которого он образовался. 20 декабря, вскоре после нападения Японии на Перл-Харбор, в результате которого Соединенные Штаты вступили в войну, Комптон был назначен руководителем проекта по плутонию. Его задачами были создание реакторов для переработки урана в плутоний, разработка методов химического разделения плутония и урана, а также проектирование и создание атомной бомбы. Хотя работоспособный реактор еще не был построен, ученые уже разработали несколько различных, но перспективных конструкторских концепций. Комптон должен был решить, какую из них следует реализовать. Он предложил амбициозный график, предусматривающий достижение контролируемой ядерной цепной реакции к январю 1943 года и создание атомной бомбы к январю 1945 года. Комптон считал, что наличие групп в Колумбии, Принстоне, Чикагском и Калифорнийском университетах приводит к излишнему дублированию и недостатку сотрудничества, и решил сосредоточить работы в одном месте. Никто не хотел переезжать, и все отстаивали преимущества своей локации. В январе 1942 года, вскоре после вступления США во Вторую мировую войну, Комптон решил сосредоточить работы в Чикагском университете, где он был уверен в безоговорочной поддержке администрации, в то время как Колумбийский университет занимался обогащением урана и не хотел брать на себя еще один секретный проект. Другими факторами, повлиявшими на решение, были центральное расположение Чикаго и наличие в Среднем Западе ученых, техников и оборудования, которые еще не были задействованы в военных разработках. Там было легче найти жилье, а внутренний город был менее уязвим для вражеских атак.

The discovery of nuclear fission in uranium by German chemists Otto Hahn and Fritz Strassmann in December 1938, and its theoretical explanation (and naming) by Lise Meitner and Otto Frisch soon after, opened up the possibility that neutrons produced by fission could create a controlled nuclear chain reaction. At Columbia University, Enrico Fermi and Leo Szilard began exploring how this might be achieved. In August 1939, Szilard drafted a confidential letter to the President of the United States, Franklin D. Roosevelt, warning of the possibility of a German nuclear weapon project, and convinced his old friend and collaborator Albert Einstein to co sign it. This resulted in support for research into nuclear fission by the U. S. government. In April 1941, the National Defense Research Committee (NDRC), asked Arthur Compton, a Nobel Prize winning physics professor at the University of Chicago, to report on the uranium program. Niels Bohr and John Wheeler theorized that heavy isotopes with odd atomic numbers, such as plutonium 239, were fissile. Emilio Segrè and Glenn Seaborg at the University of California produced 28 μg of plutonium in the 60 inch cyclotron there in May 1941, and found that it had 1.7 times the thermal neutron capture cross section of uranium 235. While minute quantities of plutonium 239 could be created in cyclotrons, it was not feasible to produce a large quantity that way. Compton conferred with Eugene Wigner from Princeton University about how plutonium might be produced in a nuclear reactor, and with Robert Serber from the University of Illinois about how the plutonium produced in a reactor might then be chemically separated from uranium it was bred from. On 20 December, soon after the Japanese attack on Pearl Harbor that brought the United States into the war, Compton was placed in charge of the plutonium project. Its objectives were to produce reactors to convert uranium to plutonium, to find ways to chemically separate the plutonium from the uranium, and to design and build an atomic bomb. Although a successful reactor had not yet been built, the scientists had already produced several different but promising design concepts. It fell to Compton to decide which of these should be pursued. He proposed an ambitious schedule that aimed to achieve a controlled nuclear chain reaction by January 1943, and to have a deliverable atomic bomb by January 1945. Compton felt that having teams at Columbia, Princeton, the University of Chicago and the University of California created too much duplication and not enough collaboration, and he resolved to concentrate the work in one location. Nobody wanted to move, and everybody argued in favor of their own location. In January 1942, soon after the United States entered World War II, Compton decided to concentrate the work at his own location, the University of Chicago, where he knew he had the unstinting support of university administration, whereas Columbia was engaged in uranium enrichment efforts and was hesitant to add another secret project. Other factors contributing to the decision were Chicago's central location and the availability of scientists, technicians and facilities in the Midwest that had not yet been taken away by war work. Housing was more readily available, and an inland city was less vulnerable to enemy attack.

Персонал

Новое научно-исследовательское учреждение было сформировано в феврале 1942 года и получило название «Металлургическая лаборатория» или «Met Lab». Там действительно велись некоторые металлургические работы, но название было призвано замаскировать истинную деятельность. Чикагский университет рассматривал возможность создания исследовательского института по металлургии и планировал сделать это после войны, поэтому создание лаборатории не привлекло особого внимания. Проект Комптона по плутонию впоследствии стал известен как Металлургический проект. Металлургической лабораторией управлял Чикагский университет по контракту с Управлением научных исследований и разработок (OSRD). В Металлургическом проекте Комптона, также известном как проект «Пиль» или «X 10», участвовали более 5000 человек в 70 исследовательских группах, из которых около 2000 работали непосредственно в Металлургической лаборатории в Чикаго. Несмотря на предлагаемую высокую заработную плату, набор персонала был затруднен. Существовала конкуренция за ученых и инженеров со стороны других проектов, связанных с обороной, а Чикаго был дороже, чем типичные университетские города. Норман Хилберри занимал должность заместителя директора Металлургического проекта, а Ричард Л. Доан был назначен директором Металлургической лаборатории. Хотя Доан был компетентным администратором, ему было трудно завоевать признание как руководителя лаборатории, поскольку он не был академиком. 5 мая 1943 года Комптон заменил его на Сэмюэля К. Эллисона и назначил Генри Д. Смита заместителем директора. Первоначально существовало три группы физиков под руководством Эллисона, Ферми и Мартина Д. Уитакера. Фрэнк Спэддинг возглавлял Химический отдел. Позже его сменили Герберт Маккой, а затем Джеймс Франк. В июне 1942 года Комптон назначил Роберта Оппенгеймера ответственным за разработку бомбы. В ноябре 1942 года это выделилось в отдельный проект, известный как Проект Y, который располагался в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико. После того как Инженерный корпус армии США взял на себя руководство Манхэттенским проектом в августе 1942 года, координацию работ осуществлял Манхэттенский округ. С 17 февраля 1943 года Комптон отчитывался перед директором Манхэттенского проекта, бригадным генералом Лесли Р. Гроувсом-младшим, вместо секции S 1 OSRD. 1 мая 1943 года Манхэттенский округ взял на себя полную ответственность за контракт с Металлургической лабораторией. В августе 1942 года капитаном Дж. Ф. Графтоном был назначен инженером Чикагской области. В декабре 1942 года его сменил капитан Артур В. Петерсон, который оставался на этой должности до октября 1944 года. 1 июля 1945 года инженером Чикагской области стал капитан Дж. Ф. Маккинли.

The new research establishment was formed in February 1942, and named the "Metallurgical Laboratory" or "Met Lab". Some real metallurgy was carried out, but the name was intended as a cover for its activities. The University of Chicago had been considering establishing a research institute into metals, and indeed would do so after the war, so its creation attracted little attention. Compton's plutonium project then became known as the Metallurgical Project. The Metallurgical Laboratory was administered by the University of Chicago under contract to the Office of Scientific Research and Development (OSRD). Over 5,000 people in 70 research groups participated in Compton's Metallurgical Project, also known as the "Pile" or "X 10" Project, of whom some 2,000 worked in the Metallurgical Laboratory in Chicago. Despite the good salaries being offered, recruiting was difficult. There was competition for scientists and engineers from other defense related projects, and Chicago was expensive compared with university towns. Norman Hilberry was associate director of the Metallurgical Project, and Richard L. Doan was appointed the Director of the Metallurgical Laboratory. While Doan was an able administrator, he had difficulty being accepted as the head of the laboratory, since he was not an academic. On 5 May 1943, Compton replaced him with Samuel K. Allison, and appointed Henry D. Smyth as associate director. Initially there were three physics groups, headed by Allison, Fermi and Martin D. Whitaker. Frank Spedding was in charge of the Chemistry Division. He was later succeeded by Herbert McCoy, and then by James Franck. Compton placed Robert Oppenheimer in charge of the bomb design effort in June 1942. In November 1942, this became a separate project, known as Project Y, which was located in Los Alamos, New Mexico. After the United States Army Corps of Engineers took over the Manhattan Project in August 1942, the Manhattan District coordinated the work. From 17 February 1943, Compton reported to the director of the Manhattan Project, Brigadier General Leslie R. Groves, Jr., instead of the OSRD S 1 Section. The Manhattan District assumed full responsibility for the Metallurgical Laboratory contract on 1 May 1943. Captain J. F. Grafton was appointed the Chicago Area Engineer in August 1942. He was succeeded by Captain Arthur V. Peterson in December 1942. Peterson remained until October 1944. Captain J. F. McKinley became Chicago Area Engineer on 1 July 1945.

Здания

Сначала большинство помещений лаборатории были предоставлены Чикагским университетом. Физики заняли пространство под Северной и Западной трибунами Стагг-филда и в Сервисной постройке, где находился циклотрон. Химики взяли под контроль лабораторию Джорджа Герберта Джонса и Кентскую химическую лабораторию. Группа медиков разместилась в здании анатомии, Дрексель-хаусе, больнице Биллингса и лаборатории Киллис, а административные офисы переехали в Экхарт-холл. Силард позже писал, что "боевой дух ученых можно было почти отобразить на графике, подсчитывая количество горящих ламп после ужина в кабинетах Экхарт-холла". Когда проект перерос Экхарт-холл, его перенесли в соседний Райерсон-холл. Металлургическая лаборатория в конечном итоге заняла значительную часть территории кампуса. Было произведено изменений в зданиях, занятых лабораторией, на сумму около 131 000 долларов, но Чикагскому университету также пришлось внести изменения для пользователей, которые были вытеснены. Чикагский университет предоставил участок, занятый теннисными кортами, Манхэттенскому округу в аренду за один доллар для строительства нового химического корпуса с определенной площадью. Компания Stone and Webster начала работы в сентябре 1942 года, и строительство было завершено в декабре. Вскоре выяснилось, что его недостаточно, и к договору аренды был добавлен смежный участок, на котором был построен пристрой и завершен в ноябре 1943 года. Затем была проведена масштабная работа над системой вентиляции, чтобы обеспечить более безопасную работу с плутонием. В апреле 1943 года был предоставлен участок, включавший ледник и конюшни, принадлежавшие университету в Чикаго. Известный как объект B, он был переоборудован для размещения лабораторий и мастерских для групп медиков и металлургов. В марте 1944 года у штата Иллинойс был арендован 124-й артиллерийский арсенал для увеличения пространства, и было арендовано или построено около 2 миллионов квадратных футов помещений стоимостью 2 миллиона долларов. Из соображений безопасности и охраны было нежелательно размещать объекты для экспериментов с ядерными реакторами в густонаселенном Чикаго. Комптон выбрал участок в Аргоннском лесу, который является частью Лесного заповедника округа Кук, примерно в 32 километрах (20 милях) к юго-западу от центра Чикаго, известный как "Объект А". Военное ведомство арендовало землю в округе Кук на время войны плюс один год за один доллар. Строительство объектов, включая лаборатории, служебные здания и подъездную дорогу, началось в сентябре 1942 года и было завершено в начале 1943 года. Комптон назначил Ферми первым директором Аргоннской лаборатории.

At first, most of the Laboratory facilities were provided by the University of Chicago. The physicists took over space under the North and West Stands of Stagg Field and in the Service Building, where there was a cyclotron. The chemists took over the George Herbert Jones Laboratory and the Kent Chemical Laboratory. The health group took space in the Anatomy Building, Drexel House, Billings Hospital and the Killis Laboratory and the administrative offices went into Eckhart Hall. Szilard later wrote that "the morale of the scientists could almost be plotted in a graph by counting the number of lights burning after dinner in the offices at Eckhart Hall." When the project outgrew its space in Eckhart Hall, it moved into the nearby Ryerson Hall. The Metallurgical Laboratory eventually occupied of campus space. About $131,000 worth of alterations were made to buildings occupied by the laboratory but the University of Chicago also had to make alterations for users displaced by it. The University of Chicago made a site occupied by tennis courts available to the Manhattan District on a one dollar lease, for the construction of a new chemistry building with of space. Stone and Webster commenced work on this in September 1942 and it was completed in December. It was soon found to be too small and an adjacent plot was added to the lease, on which a annex was built and completed in November 1943. Extensive work was then carried out on the ventilation system to allow the laboratory to work with plutonium more safely. A site containing an ice house and stables owned by the university in Chicago was made available in April 1943. Known as Site B, it was remodeled to provide of laboratories and workshops for the health and metallurgy groups. The 124th Field Artillery Armory was leased from the state of Illinois to provide more space in March 1944 and about of space was leased or built, at a cost of $2 million. For reasons of safety and security, it was not desirable to locate the facilities for experiments with nuclear reactors in densely populated Chicago. Compton selected a site in the Argonne Forest, part of the Forest Preserve District of Cook County, about 20 mile (32 km) southwest of central Chicago, referred to as 'Site A'. The War Department leased of land there from Cook County for the duration of the war plus one year for a dollar. Construction of facilities including laboratories and service buildings and an access road was commenced in September 1942 and completed in early 1943. Compton appointed Fermi as the first director of the Argonne Laboratory.

Чикагский столб-1

В период с 15 сентября по 15 ноября 1942 года группы под руководством Герберта Л. Андерсона и Уолтера Зинна построили шестнадцать экспериментальных реакторов (известных в то время как "кучи") под трибунами Стагг-Филда. Ферми разработал новую кучу из урана и графита, которую можно было довести до критичности в контролируемой, самоподдерживающейся ядерной реакции. Строительство в Аргоне отставало от графика из-за трудностей компании Stone & Webster с набором достаточного количества квалифицированных рабочих и получением необходимых строительных материалов. Это привело к промышленному спору, когда профсоюзные работники предприняли действия в связи с наймом несиндикальных рабочих. Когда стало ясно, что материалы для новой кучи Ферми будут готовы раньше, чем будет завершена новая конструкция, Комптон одобрил предложение Ферми построить кучу под трибунами Стагг-Филда. Строительство реактора, известного как Чикагский Столб-1 (CP 1), началось утром 16 ноября 1942 года. Работа велась в двенадцатичасовые смены: дневная смена под руководством Зинна и ночная – под руководством Андерсона. По завершении деревянный каркас поддерживал эллиптическую конструкцию высотой 6 метров, шириной 2 метра на концах и 8 метров в середине. Она содержала урановый металл, оксид урана и графит, общая стоимость которых оценивалась в 2,7 миллиона долларов. 2 декабря 1942 года была достигнута первая контролируемая самоподдерживающаяся ядерная реакция. 12 декабря 1942 года мощность CP 1 была увеличена до 200 Вт, чего было достаточно для питания лампочки. Отсутствуя какое-либо экранирование, реактор представлял радиационную опасность для всех находящихся поблизости. В дальнейшем испытания продолжались при пониженной мощности 0,5 Вт.

Чикагский столб-2

28 февраля 1943 года работа Чикагского пила-1 была остановлена. Он был демонтирован и перенесен в Аргонн, где из исходных материалов был построен Чикагский пил-2 (CP 2). В отличие от сферической формы первого реактора, новый был построен в виде куба высотой около 25 футов (8 м) с основанием примерно 30 футов (9 м) в поперечнике. Он был окружен бетонными стенами толщиной 5 футов (2 м), служившими радиационной защитой, и имел над головой защиту из свинца и дерева. В новом реакторе использовалось больше урана, поэтому он содержал уран и графит в больших количествах. Система охлаждения не предусматривалась, поскольку мощность реактора составляла всего несколько киловатт. CP 2 был введен в эксплуатацию в марте 1943 года.

Чикагский столб-3

Второй реактор, известный как Чикагский Стог-3 или CP-3, был построен на площадке Аргонн в начале 1944 года. Это был первый в мире реактор, использующий тяжелую воду в качестве замедлителя нейтронов. Тяжелая вода была недоступна при строительстве CP-1, но теперь стала доступна в достаточном количестве благодаря проекту P-9 Манхэттенского проекта. Реактор представлял собой большой алюминиевый бак диаметром 1,8 метра, заполненный тяжелой водой весом около [укажите вес, если известен из контекста, иначе опустите]. Крышка бака была проделана регулярно расположенными отверстиями, через которые в тяжелую воду выступали 121 стержня из урана, покрытые алюминием. Бак был окружен графитовым нейтронным отражателем, который, в свою очередь, был окружен свинцовым экраном и бетоном. Верхняя защита реактора состояла из слоев квадратных съемных кирпичей высотой около 30 см, состоящих из слоев железа и масонита. Тяжелая вода охлаждалась с помощью водяного теплообменника. Помимо управляющих стержней, существовал аварийный механизм для слива тяжелой воды в резервуар, расположенный ниже. Строительство началось 1 января 1944 года. Реактор достиг критического состояния в мае 1944 года и впервые был запущен на полную мощность 300 кВт в июле 1944 года. Во время войны Зинн разрешил его круглосуточную работу, а конструкция реактора облегчала проведение экспериментов. Это включало в себя испытания для изучения свойств изотопов, таких как тритий, и определения сечения захвата нейтронов элементов и соединений, которые могли быть использованы при строительстве будущих реакторов или содержаться в примесях. Также проводились испытания приборов, а также эксперименты для определения термической стабильности материалов и обучения операторов.

Производственные насыпи

Конструкция реакторов для производства плутония включала в себя ряд проблем, не только в области ядерной физики, но и в инженерной и строительной. Такие вопросы, как долгосрочное воздействие радиации на материалы, получили значительное внимание в Металлургической лаборатории. Рассматривались два типа реакторов: однородные, в которых модератор и топливо смешивались, и гетерогенные, в которых модератор и топливо располагались в решетчатой структуре. К концу 1941 года математический анализ показал, что решетчатая конструкция имеет преимущества перед однородной, и поэтому она была выбрана для CP 1, а также для последующих производственных реакторов. В качестве нейтронного модератора был выбран графит из-за его доступности по сравнению с бериллием или тяжелой водой. Решение о выборе хладагента вызвало больше споров. Первым выбором Металлургической лаборатории был гелий, поскольку он мог служить как охлаждающей жидкостью, так и нейтронным модератором. Сложности его применения не были упущены из виду. Потребовались бы большие его количества, и он должен был быть очень чистым, без примесей, поглощающих нейтроны. Для циркуляции газа через реактор потребовались бы специальные нагнетатели, а также необходимо было решить проблему утечки радиоактивных газов. Ни одна из этих проблем не считалась непреодолимой. Решение об использовании гелия было сообщено компании DuPont, ответственной за строительство производственных реакторов, и первоначально было принято. В начале 1943 года Вигнер и его Теоретическая группа, в которую входили Элвин Вайнберг, Кэтрин Уэй, Лео Олингер, Гейл Янг и Эдвард Круц, разработали проект производственного реактора с водяным охлаждением. Выбор воды в качестве хладагента был спорным, поскольку было известно, что она поглощает нейтроны, тем самым снижая эффективность реактора, но Вигнер был уверен, что расчеты его группы верны и что с более чистым графитом и ураном, которые теперь были доступны, вода будет работать, в то время как технические трудности, связанные с использованием гелия в качестве хладагента, задержали бы проект. В конструкции использовался тонкий слой алюминия для защиты урана от коррозии охлаждающей водой. Цилиндрические топливные элементы из урана в алюминиевых оболочках проталкивались через каналы реактора и выпадали с другой стороны в охлаждающий бассейн. После снижения радиоактивности топливные элементы извлекались, и из них извлекался плутоний. После рассмотрения обеих конструкций инженеры DuPont выбрали реактор с водяным охлаждением. В 1959 году патент на конструкцию реактора был выдан на имя Круца, Олингера, Вайнберга, Вигнера и Янга. Использование воды в качестве хладагента подняло проблему коррозии и окисления алюминиевых труб. Металлургическая лаборатория испытывала различные добавки к воде, чтобы определить их влияние. Было обнаружено, что коррозия минимизируется, когда вода слегка кислая, поэтому в воду добавлялась разбавленная серная кислота для достижения pH 6,5. В воду также добавлялись другие добавки, такие как силикат натрия, дихромат натрия и щавелевая кислота, чтобы предотвратить образование пленки, которая могла бы препятствовать циркуляции охлаждающей воды. Топливные элементы были заключены в алюминиевую оболочку для защиты уранного металла от коррозии при контакте с водой и для предотвращения выброса газообразных радиоактивных продуктов деления, которые могли бы образоваться при облучении. Алюминий был выбран, потому что оболочка должна была передавать тепло, но не поглощать слишком много нейтронов. Процессу нанесения алюминиевой оболочки уделялось пристальное внимание, поскольку поврежденные топливные элементы могли заклинить или повредить каналы в реакторе, а малейшие отверстия могли привести к утечке радиоактивных газов. Металлургическая лаборатория исследовала режимы производства и контроля качества для процесса нанесения оболочки. Важной областью исследований был эффект Вигнера. Под воздействием нейтронов атомы углерода в графитовом модераторе могут выбиваться из кристаллической структуры графита. Со временем это приводит к нагреву и расширению графита. Исследование этой проблемы заняло большую часть 1946 года, прежде чем было найдено решение.

The design of the reactors for plutonium production involved several problems, not just in nuclear physics but in engineering and construction. Issues such as the long term effect of radiation on materials received considerable attention from the Metallurgical Laboratory. Two types of reactors were considered: homogeneous, in which the moderator and fuel were mixed together, and heterogeneous, in which the moderator and fuel were arranged in a lattice configuration. By late 1941, mathematical analysis had shown that the lattice design had advantages over the homogeneous type, and so it was chosen for CP 1, and for the later production reactors as well. For a neutron moderator, graphite was chosen on the basis of its availability compared with beryllium or heavy water. The decision of what coolant to use attracted more debate. The Metallurgical laboratory's first choice was helium, because it could be both a coolant and a neutron moderator. The difficulties of its use were not overlooked. Large quantities would be required, and it would have to be very pure, with no neutron absorbing impurities. Special blowers would be required to circulate the gas through the reactor, and the problem of leakage of radioactive gases would have to be solved. None of these problems were regarded as insurmountable. The decision to use helium was conveyed to DuPont, the company responsible for building the production reactors, and was initially accepted. In early 1943, Wigner and his Theoretical Group that included Alvin Weinberg, Katharine Way, Leo Ohlinger, Gale Young and Edward Creutz produced a design for a production reactor with water cooling. The choice of water as a coolant was controversial, as it was known to absorb neutrons, thereby reducing the efficiency of the reactor, but Wigner was confident that his group's calculations were correct and that with the purer graphite and uranium that was now available, water would work, while the technical difficulties involved in using helium as a coolant would delay the project. The design used a thin layer of aluminum to protect the uranium from corrosion by the cooling water. Cylindrical uranium slugs with aluminum jackets would be pushed through channels through the reactor and drop out the other side into a cooling pond. Once the radioactivity subsided, the slugs would be taken away and the plutonium extracted. After reviewing the two designs, the DuPont engineers chose the water cooled one. In 1959 a patent for the reactor design would be issued in the name of Creutz, Ohlinger, Weinberg, Wigner, and Young. The use of water as a coolant raised the problem of corrosion and oxidation of the aluminum tubing. The Metallurgical Laboratory tested various additives to the water to determine their effect. It was found that corrosion was minimized when the water was slightly acidic, so dilute sulfuric acid was added to the water to give it a pH of 6.5. Other additives such as sodium silicate, sodium dichromate and oxalic acid were also introduced to the water to prevent a build up of film that could inhibit the circulation of the cooling water. The fuel slugs were given a jacket of aluminum to protect the uranium metal from corrosion that would occur if it came into contact with the water, and to prevent the venting of gaseous radioactive fission products that might be formed when they were irradiated. Aluminum was chosen because the cladding had to transmit heat but not absorb too many neutrons. The aluminum canning process was given close attention, as ruptured slugs could jam or damage the channels in the reactor, and the smallest holes could vent radioactive gases. The Metallurgical Laboratory investigated production and testing regimes for the canning process. An important area of research concerned the Wigner effect. Under bombardment by neutrons, the carbon atoms in the graphite moderator can be knocked out of the graphite's crystalline structure. Over time, this causes the graphite to heat and swell. Investigation of the problem would take most of 1946 before a fix was found.

Химия и металлургия

Металлургические работы были сосредоточены на уране и плутонии. Хотя уран был открыт более века назад, о нём было известно немного, что подтверждается тем фактом, что во многих источниках приводилась температура плавления, отличавшаяся почти на 500 °F (280 °C). Эдвард Круц исследовал его и обнаружил, что в определённом температурном диапазоне уран можно ковать, прокатывать и вытягивать в стержни, необходимые для конструкции реактора. Было установлено, что при резке урана стружка воспламеняется. Работая совместно с компаниями Alcoa и General Electric, Металлургическая лаборатория разработала метод пайки алюминиевой оболочки к урановому слитку. Под давлением необходимости найти источник переработанного урана, в апреле 1942 года Комптон, Спеддинг и Хилберри встретились с Эдвардом Малинкродтом в штаб-квартире его химической компании в Сент-Луисе, штат Миссури. Компания разработала и внедрила новый метод переработки урана с использованием эфира, предоставила успешные образцы для испытаний к середине мая, поставила материал для первой самоподдерживающейся реакции в декабре и выполнила весь заказ проекта на первые шестьдесят тонн до подписания контракта. Металлургия плутония была совершенно неизвестна, поскольку он был открыт совсем недавно. В августе 1942 года команда Сиборга химически выделила первое взвешиваемое количество плутония из облучённого урана в лаборатории Джонса. До появления реакторов крошечные количества плутония производились в циклотроне Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Химический отдел совместно с DuPont разработал бисмутофосфатный процесс, используемый для разделения плутония и урана.

Здоровье и безопасность

Опасность радиационного отравления стала хорошо известна благодаря опыту художниц, раскрашивавших циферблаты часов с использованием радия. Когда стало очевидно, что ядерные реакторы будут использовать радиоактивные материалы в огромных масштабах, возникла серьезная обеспокоенность по поводу вопросов здоровья и безопасности. Роберт С. Стоун, работавший с Эрнестом Лоуренсом в Калифорнийском университете, был привлечен к руководству программой по охране здоровья и безопасности Металлургического проекта. Симеон Катлер, радиолог, взял на себя ответственность за радиационную безопасность в Чикаго, а затем возглавил программу на Ханфордском комплексе. Гроувз назначил Стаффорда Л. Уоррена из Университета Рочестера главой Медицинского отдела Манхэттенского проекта. Со временем изучение биологического воздействия радиации приобрело все большее значение. Было установлено, что плутоний, как и радий, накапливается в костях, что делает его особенно опасным. Отдел здравоохранения Металлургической лаборатории разработал стандарты допустимого радиационного воздействия. Рабочих регулярно обследовали в клиниках Чикагского университета, но это часто оказывалось слишком поздно. Были закуплены персональные дозиметры на основе кварцевых волокон, а также дозиметры с фотопленкой, регистрирующие кумулятивную дозу. Отдел здравоохранения Стоуна тесно сотрудничал с Группой приборов Уильяма П. Джесси из Отдела физики для разработки детекторов, включая портативные счетчики Гейгера. Герберт М. Паркер разработал единицу измерения радиационного воздействия, названную эффективной дозой или рем. После войны рем заменил рентген в качестве стандартной меры радиационного воздействия. Работа по оценке токсичности плутония началась, когда полузавод по производству плутония на Клинтонском инженерном комплексе начал его производство в 1943 году. Проект установил предел содержания плутония в организме в 5 микрограммов (мкг), и рабочие процессы и условия труда в Чикаго и Клинтоне были изменены для обеспечения соблюдения этого стандарта.

Последующая деятельность

В 1943 и 1944 годах Металлургическая лаборатория сосредоточилась на запуске графитового реактора X-10 на Клинтонском инженерном заводе, а затем реактора B на участке Ханфорд. К концу 1944 года основное внимание переключилось на обучение операторов. Большая часть химического подразделения переехала в Ок-Ридж в октябре 1943 года, а многие сотрудники были переведены на другие объекты Манхэттенского проекта в 1944 году, особенно в Ханфорд и Лос-Аламос. Ферми стал руководителем подразделения в Лос-Аламосе в сентябре 1944 года, а Зинн – директором Аргоннской лаборатории. Эллисон последовал за ним в ноябре 1944 года, забрав с собой многих сотрудников Металлургической лаборатории, включая большую часть инструментального сектора. Его заменила Джойс С. Стернс. Фаррингтон Дэниелс, ставший заместителем директора 1 сентября 1944 года, сменил Стернс на посту директора 1 июля 1945 года. По возможности Чикагский университет стремился повторно трудоустраивать работников, переведенных из Металлургической лаборатории на другие проекты после завершения их работы. Замена персонала была практически невозможна, поскольку Гроувс приказал заморозить штат. Единственным подразделением, которое выросло в период с ноября 1944 года по март 1945 года, было подразделение здравоохранения; все остальные потеряли 20 процентов или более своих сотрудников. Численность персонала Металлургической лаборатории, достигшая пика в 2008 человек 1 июля 1944 года, сократилась до 1444 человек 1 июля 1945 года. Окончание войны не прекратило поток увольнений. Сиборг покинул лабораторию 17 мая 1946 года, забрав с собой большую часть того, что осталось от химического отделения. 11 февраля 1946 года армия достигла соглашения с президентом университета Робертом Хатчинсом о передаче персонала и оборудования Металлургического проекта региональной лаборатории в Аргонне, которой университет по-прежнему управляет. 1 июля 1946 года Металлургическая лаборатория стала Аргоннской национальной лабораторией, первой официально признанной национальной лабораторией.

Платежи, произведенные Чикагскому университету по первоначальному некоммерческому контракту от 1 мая 1943 года, составили 27 933 134,83 доллара, включая 647 671,80 доллара на строительство и реконструкцию. Контракт истек 30 июня 1946 года и был заменен новым контрактом, который закончился 31 декабря 1946 года. По этому контракту было выплачено еще 2 756 730,54 доллара, из которых 161 636,10 доллара было потрачено на строительство и реконструкцию. Чикагскому университету было выплачено дополнительно 49 509,83 доллара на восстановление его зданий. В 1974 году правительство США начало очистку старых объектов Манхэттенского проекта в рамках Программы реабилитации ранее использовавшихся объектов (FUSRAP). Это включало объекты, использовавшиеся Металлургической лабораторией. Стагг Филд был снесен в 1957 году, но 23 участка в лаборатории Кента были дезактивированы в 1977 году, а еще 99 – в лабораториях Экхарт, Райерсон и Джонс в 1984 году. Было собрано около трех 55-галлонных бочек твердых и жидких отходов, которые были отправлены на различные объекты для утилизации. Комиссия по атомной энергии прекратила аренду территории Арсенала в 1951 году, и она была возвращена штату Иллинойс. Испытания, проведенные в 1977, 1978 и 1987 годах, показали остаточные уровни радиоактивности, превышающие нормы, установленные Министерством энергетики, поэтому дезактивация была проведена в 1988 и 1989 годах, после чего объект был признан пригодным для неограниченного использования.