Проект S-50: Обогащение урана в рамках Манхэттенского проекта.

Введение

Урановая обогатительная установка Манхэттенского проекта

Проект S-50 был частью Манхэттенского проекта, направленной на производство обогащенного урана методом жидкостной тепловой диффузии во время Второй мировой войны. Это была одна из трех технологий обогащения урана, разрабатываемых в рамках Манхэттенского проекта. Процесс жидкостной тепловой диффузии изначально не был выбран для использования в Манхэттенском проекте и был разработан независимо Филиппом Х. Абельсоном и другими учеными в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Это было обусловлено главным образом сомнениями в технической осуществимости процесса, но межведомственное соперничество между армией и флотом США также сыграло свою роль. Пилотные установки были построены на военно-морской авиационной станции Анакостия и на Филадельфийской военно-морской верфи, а также производственная установка на Клинтонском инженерном комплексе в Оук-Ридже, штат Теннесси. Это была единственная жидкостная тепловая диффузионная установка, построенная в производственном масштабе. Она не могла обогащать уран в достаточной степени для использования в атомной бомбе, но могла обеспечивать слегка обогащенное сырье для калютронов Y-12 и газодиффузионных установок K-25. По оценкам, завод S-50 ускорил производство обогащенного урана, использованного в бомбе Little Boy, примененной при атомной бомбардировке Хиросимы, на одну неделю. Производство на заводе S-50 было прекращено в сентябре 1945 года, но оно было возобновлено в мае 1946 года и использовалось в проекте ВВС армии США "Ядерная энергия для двигателей самолетов" (NEPA). Завод был снесен в конце 1940-х годов.

Предыстория

Открытие нейтрона Джеймсом Чадвиком в 1932 году, за которым последовало открытие ядерного деления урана немецкими химиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом в 1938 году, и его теоретическое объяснение (и наименование) Лизой Майтнер и Отто Робертом Фришем вскоре после этого, открыли возможность ядерной цепной реакции с ураном. Опасения, что немецкий проект по созданию атомной бомбы приведет к разработке ядерного оружия, особенно среди ученых, бывших беженцами из нацистской Германии и других фашистских стран, были выражены в письме Эйнштейна — Силарда. Это послужило стимулом для проведения предварительных исследований в Соединенных Штатах в конце 1939 года. Нильс Бор и Джон Арчибальд Уилер применили модель жидкой капли атомного ядра для объяснения механизма ядерного деления. Изучая деление, экспериментальные физики обнаружили необъяснимые результаты. Джордж Плачек спросил Бора, почему уран, казалось, делится как под воздействием быстрых, так и медленных нейтронов. По дороге на встречу с Уилером Бора осенило: деление при низких энергиях вызывается изотопом урана-235, а при высоких энергиях — главным образом гораздо более распространенным изотопом урана-238. Первый составляет 0,714% атомов урана в природном уране, примерно один атом на 140; природный уран на 99,28% состоит из урана-238. Также в нем содержится небольшое количество урана-234 — 0,006%. В Бирмингемском университете в Великобритании австралийский физик Марк Олифант поручил двум физикам-беженцам — Фришу и Рудольфу Пейерлсу — исследовать возможность 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 переноски бомбардировщиком того времени. Исследования, направленные на то, как можно осуществить разделение изотопов урана (обогащение урана), приобрели огромное значение. Первой мыслью Фриша о том, как это можно сделать, была жидкостная тепловая диффузия.

The discovery of the neutron by James Chadwick in 1932, followed by that of nuclear fission in uranium by the German chemists Otto Hahn and Fritz Strassmann in 1938, and its theoretical explanation (and naming) by Lise Meitner and Otto Robert Frisch soon after, opened up the possibility of a nuclear chain reaction with uranium. Fears that a German atomic bomb project would develop nuclear weapons, especially among scientists who were refugees from Nazi Germany and other fascist countries, were expressed in the Einstein Szilard letter. This prompted preliminary research in the United States in late 1939. Niels Bohr and John Archibald Wheeler applied the liquid drop model of the atomic nucleus to explain the mechanism of nuclear fission. As the experimental physicists studied fission, they uncovered puzzling results. George Placzek asked Bohr why uranium seemed to fission with both fast and slow neutrons. Walking to a meeting with Wheeler, Bohr had an insight that the fission at low energies was due to the uranium 235 isotope, while at high energies it was mainly due to the far more abundant uranium 238 isotope. The former makes up 0.714 percent of the uranium atoms in natural uranium, about one in every 140; natural uranium is 99.28 percent uranium 238. There is also a tiny amount of uranium 234, 0.006 percent. At the University of Birmingham in Britain, the Australian physicist Mark Oliphant assigned two refugee physicists—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. Research into how uranium isotope separation (uranium enrichment) could be achieved assumed enormous importance. Frisch's first thought about how this could be achieved was with liquid thermal diffusion.

Тепловая диффузия жидкости

Процесс жидкостной тепловой диффузии был основан на открытии Карла Людвига в 1856 году и позднее Шарля Соре в 1879 году, заключающемся в том, что при поддержании градиента температуры в первоначально однородном солевом растворе, со временем в растворе также возникает градиент концентрации. Это явление известно как эффект Соре. Дэвид Энског в 1911 году и Сидни Чепмен в 1916 году независимо друг от друга разработали теорию Чепмена — Энскога, которая объясняла, что при прохождении смеси двух газов через градиент температуры более тяжелый газ стремится концентрироваться у холодного конца, а более легкий — у теплого. Это было экспериментально подтверждено Чепменом и Ф. В. Дутсоном в 1916 году. Поскольку горячие газы имеют тенденцию подниматься вверх, а холодные — опускаться вниз, это можно использовать для разделения изотопов. Впервые этот процесс был продемонстрирован Клаусом Клюзиусом и Герхардом Дикелем в Германии в 1938 году, которые применили его для разделения изотопов неона. Они использовали аппарат, называемый «колонной», представляющий собой вертикальную трубку с горячей проволокой в центре. В Соединенных Штатах Артур Брэмли из Министерства сельского хозяйства США усовершенствовал эту конструкцию, используя концентрические трубки с различными температурами.

Исследования и разработки

Филипп Абельсон был молодым физиком, получившим докторскую степень в Калифорнийском университете 8 мая 1939 года. Он был одним из первых американских ученых, подтвердивших ядерное деление, опубликовав результаты в статье, представленной в журнал Physical Review в феврале 1939 года, и сотрудничал с Эдвином Макмилланом в открытии нептуния. Вернувшись в Институт Карнеги в Вашингтоне, где он занимал должность, он заинтересовался разделением изотопов. В июле 1940 года Росс Ганн из Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) показал ему статью 1939 года по этой теме, написанную Гарольдом Юри, и Абельсон заинтересовался возможностью использования процесса жидкостной тепловой диффузии. Он начал эксперименты с этим процессом в Департаменте земного магнетизма при Институте Карнеги. Используя хлорид калия (KCl), бромид калия (KBr), сульфат калия и дихромат калия, он достиг коэффициента разделения 1,2 (20 процентов) для изотопов калия-39 и калия-41. Следующим шагом было повторение экспериментов с ураном. Он изучал процесс с водными растворами солей урана, но обнаружил, что они склонны к гидролизу в колонне. Подходящим казался только гексафторид урана (UF6). В сентябре 1940 года Абельсон обратился к Россу Ганну и Лайману Бриггсу, директору Национального бюро стандартов, которые оба были членами Комитета по исследованиям национальной обороны (NDRC) по урану. NRL согласилась выделить Институту Карнеги 2500 долларов для продолжения работы Абельсона, а в октябре 1940 года Бриггс организовал перенос исследований в Бюро стандартов, где было лучшее оборудование. Гексафторид урана был труднодоступен, поэтому Абельсон разработал собственный метод его получения в больших количествах на NRL путем фторирования более легко получаемого тетрафторида урана. Изначально этот небольшой завод обеспечивал гексафторидом урана исследования в Колумбийском университете, Университете Вирджинии и NRL. В 1941 году Ганн и Абельсон разместили заказ на гексафторид урана в компании Harshaw Chemical Company в Кливленде, штат Огайо, используя процесс Абельсона. В начале 1942 года NDRC заключила с Harshaw контракт на строительство пилотного завода по производству гексафторида урана в сутки. К весне 1942 года пилотный завод Harshaw по производству гексафторида урана был введен в эксплуатацию, и компания DuPont также начала эксперименты с использованием этого процесса. Спрос на гексафторид урана вскоре резко возрос, и Harshaw и DuPont увеличили производство для его удовлетворения. Абельсон установил одиннадцать колонн в Бюро стандартов, все диаметром примерно , но высотой от . Первоначальные испытания проводились с солями калия, а затем, в апреле 1941 года, с гексафторидом урана. 1 июня 1941 года Абельсон стал сотрудником NRL и переехал на военно-морскую авиабазу Анакостия. В сентябре 1941 года к нему присоединился Джон И. Гувер, который стал его заместителем. Там они построили экспериментальную установку с колоннами длиной 11 метров. Паровое отопление обеспечивалось газовым котлом. Им удалось разделить изотопы хлора, но в ноябре аппарат был поврежден продуктами разложения тетрахлорида углерода. Следующий запуск показал разделение 2,5%, и было установлено, что оптимальное расстояние между колоннами составляло между . Абельсон считал запуск 22 июня с результатом 9,6% первым успешным испытанием жидкостной тепловой диффузии с гексафторидом урана. В июле ему удалось достичь 21%.

Philip H. Abelson was a young physicist who had been awarded his PhD from the University of California on 8 May 1939. He was among the first American scientists to verify nuclear fission, reporting his results in an article submitted to the Physical Review in February 1939, and collaborated with Edwin McMillan on the discovery of neptunium. Returning to the Carnegie Institution in Washington, D. C., where he had a position, he became interested in isotope separation. In July 1940, Ross Gunn from the United States Naval Research Laboratory (NRL) showed him a 1939 paper on the subject by Harold Urey, and Abelson became intrigued by the possibility of using the liquid thermal diffusion process. He began experiments with the process at the Department of Terrestrial Magnetism at the Carnegie Institution. Using potassium chloride (KCl), potassium bromide (KBr), potassium sulfate and potassium dichromate , he was able to achieve a separation factor of 1.2 (20 percent) of the potassium 39 and potassium 41 isotopes. The next step was to repeat the experiments with uranium. He studied the process with aqueous solutions of uranium salts, but found that they tended to be hydrolyzed in the column. Only uranium hexafluoride (UF6) seemed suitable. In September 1940, Abelson approached Ross Gunn and Lyman J. Briggs, the director of the National Bureau of Standards, who were both members of the National Defense Research Committee (NDRC) Uranium Committee. The NRL agreed to make $2,500 available to the Carnegie Institution to allow Abelson to continue his work, and in October 1940, Briggs arranged for it to be moved to the Bureau of Standards, where there were better facilities. Uranium hexafluoride was not readily available, so Abelson devised his own method of producing it in quantity at the NRL, through fluoridation of the more easily produced uranium tetrafluoride at Initially, this small plant supplied uranium hexafluoride for the research at Columbia University, the University of Virginia and the NRL. In 1941, Gunn and Abelson placed an order for uranium hexafluoride with the Harshaw Chemical Company in Cleveland, Ohio, using Abelson's process. In early 1942, the NDRC awarded Harshaw a contract to build a pilot plant to produce of uranium hexafluoride per day. By the spring of 1942, Harshaw's pilot uranium hexafluoride plant was operational, and DuPont also began experiments with using the process. Demand for uranium hexafluoride soon rose sharply, and Harshaw and DuPont increased production to meet it. Abelson erected eleven columns at the Bureau of Standards, all approximately in diameter, but ranging from high. Test runs were carried out with potassium salts, and then, in April 1941, with uranium hexafluoride. On 1 June 1941, Abelson became an employee of the NRL, and he moved to the Anacostia Naval Air Station. In September 1941, he was joined by John I. Hoover, who became his deputy. They constructed an experimental plant there with 36 feet (11 m) columns. Steam was provided by a gas fired boiler. They were able to separate isotopes of chlorine, but the apparatus was ruined in November by the decomposition products of the carbon tetrachloride. The next run indicated 2.5% separation, and it was found that the optimal spacing of the columns was between Abelson regarded a run on 22 June with a 9.6% result as the first successful test of liquid thermal diffusion with uranium hexafluoride. In July, he was able to achieve 21%.

Отношения с Манхэттенским проектом

В июле 1942 года NRL санкционировал строительство пилотного завода, который начал работу 15 ноября. На этот раз использовались четырнадцать колонн длиной 15 метров с промежутком между ними. Пилотная установка работала непрерывно с 3 по 17 декабря 1942 года. Полковник Лесли Р. Гроувз-младший, которому предстояло возглавить то, что стало известно как Манхэттенский проект (но он приступит к этому через два дня), посетил пилотный завод 21 сентября вместе с заместителем окружного инженера Манхэттенского округа, подполковником Кеннетом Д. Николсом, и встретился с Ганном и контр-адмиралом Гарольдом Г. Боуэном-старшим, директором NRL. Гроувз остался с впечатлением, что проект продвигается недостаточно быстро. Проект был расширен, и к нему в качестве теоретического физика присоединился Натан Розен. 10 декабря 1942 года Гроувз вновь посетил пилотный завод, на этот раз в сопровождении Уоррена К. Льюиса, профессора химической инженерии из MIT, и трех сотрудников компании DuPont. В своем отчете Льюис рекомендовал продолжить работу. 19 июня 1942 года Исполнительный комитет S 1 заменил Урановый комитет, исключив Ганна из своего состава. Он рассмотрел отчет Льюиса и передал свою рекомендацию Ванневару Бушу, директору Управления научных исследований и разработок (OSRD), частью которого являлся Исполнительный комитет S 1. Отношения между OSRD и NRL были натянутыми; Боуэн критиковал OSRD за перенаправление средств из NRL. Буш помнил директиву от 17 марта 1942 года президента Франклина Д. Рузвельта (хотя и по его совету), согласно которой флот должен быть исключен из Манхэттенского проекта. Он предпочитал работать с более лояльным министром войны Генри Стимсоном, на которого имел больше влияния. Джеймс Б. Конант, председатель NDRC и Исполнительного комитета S 1, опасался, что военно-морской флот ведет свой собственный ядерный проект, но Буш считал, что это не принесет вреда. Он встретился с Ганном в Анакостии 14 января 1943 года и объяснил ему ситуацию. Ганн ответил, что флот заинтересован в ядерной двигательной установке для атомных подводных лодок. Жидкая тепловая диффузия была жизнеспособным способом получения обогащенного урана, и ему нужны были только детали конструкции ядерного реактора, разработка которого, как он знал, велась в Металлургической лаборатории в Чикаго. Он не знал, что там уже был построен Чикагский куча-1, действующий ядерный реактор. Буш не хотел предоставлять запрошенные данные, но договорился с контр-адмиралом Уильямом Р. Пурнеллом, коллегой из Комитета военной политики, руководившего Манхэттенским проектом, о дополнительной поддержке усилий Абельсона. На следующей неделе Бриггс, Юри и Эгер В. Мёрфри из Исполнительного комитета S 1 вместе с Карлом Коэном и У. И. Томпсоном из Standard Oil посетили пилотный завод в Анакостии. Они были впечатлены простотой процесса, но разочарованы тем, что с завода не было получено обогащенного урана; производство рассчитывалось путем измерения разницы в концентрации. Они подсчитали, что для установки жидкой тепловой диффузии, способной производить 1 кг в день урана, обогащенного до 90% урана-235, потребуется 21 800 колонн длиной 11 метров, каждая с коэффициентом разделения 30,7%. Строительство займет 18 месяцев при условии приоритетного обеспечения материалами Манхэттенского проекта. Это включало в себя дефицитную медь для наружных труб и никель для внутренних, которые должны были противостоять коррозии от пара и гексафторида урана соответственно. Ориентировочная стоимость строительства такой установки составляла около 32,6 миллиона долларов и 62 600 долларов в день на эксплуатацию. Предложение было отклонено из-за того, что заводу потребуется 600 дней для достижения равновесия, к этому времени будет потрачено 72 миллиона долларов, что Исполнительный комитет S 1 округлил до 75 миллионов долларов. Предполагая, что работы начнутся немедленно и завод будет работать по проекту, обогащенный уран не мог быть произведен до 1946 года. Мёрфри предположил, что установка жидкой тепловой диффузии, производящая уран, обогащенный до 10% урана-235, может заменить начальные стадии установки газовой диффузии, но Исполнительный комитет S 1 отклонил это предложение. В период с февраля по июль 1943 года пилотный завод в Анакостии произвел небольшое количество слегка обогащенного гексафторида урана, который был отправлен в Металлургическую лабораторию. В сентябре 1943 года Исполнительный комитет S 1 решил больше не выделять NRL гексафторид урана, хотя он согласился обменивать обогащенный гексафторид урана на обычный. В октябре 1943 года Гроувз отклонил заказ NRL на дополнительный гексафторид урана. Когда было указано, что флот изначально разработал процесс производства гексафторида урана, армия неохотно согласилась выполнить заказ.

The NRL authorized a pilot plant in July 1942, which commenced operation on 15 November. This time they used fourteen 48 feet (15 m) columns, with a separation of between them. The pilot plant ran without interruption from 3 to 17 December 1942. Colonel Leslie R. Groves, Jr., who had been designated to take charge of what would become known as the Manhattan Project (but would not do so for another two days), visited the pilot plant with the Deputy District Engineer of the Manhattan District, Lieutenant Colonel Kenneth D. Nichols on 21 September, and spoke with Gunn and Rear Admiral Harold G. Bowen, Sr., the director the NRL. Groves left with the impression that the project was not being pursued with sufficient urgency. The project was expanded, and Nathan Rosen joined the project as a theoretical physicist. Groves visited the pilot plant again on 10 December 1942, this time with Warren K. Lewis, a professor of chemical engineering from MIT, and three DuPont employees. In his report Lewis recommended that the work be continued. The S 1 Executive Committee superseded the Uranium Committee on 19 June 1942, dropping Gunn from its membership in the process. It considered Lewis' report, and passed on its recommendation to Vannevar Bush, the director of the Office of Scientific Research and Development (OSRD), of which the S 1 Executive Committee was a part. The relationship between the OSRD and the NRL was not good; Bowen criticised it for diverting funds from the NRL. Bush was mindful of a 17 March 1942 directive from the president, Franklin D. Roosevelt, albeit on his advice, that the navy was to be excluded from the Manhattan Project. He preferred to work with the more congenial Secretary of War, Henry Stimson, over whom he had more influence. James B. Conant, the chairman of the NDRC and the S 1 Executive Committee, was concerned that the navy was running its own nuclear project, but Bush felt that it did no harm. He met with Gunn at Anacostia on 14 January 1943, and explained the situation to him. Gunn responded that the navy was interested in nuclear marine propulsion for nuclear submarines. Liquid thermal diffusion was a viable means of producing enriched uranium, and all he needed was details about nuclear reactor design, which he knew was being pursued by the Metallurgical Laboratory in Chicago. He was unaware that it had already built Chicago Pile 1, a working nuclear reactor. Bush was unwilling to provide the requested data, but arranged with Rear Admiral William R. Purnell, a fellow member of the Military Policy Committee that ran the Manhattan Project, for Abelson's efforts to receive additional support. The following week, Briggs, Urey, and Eger V. Murphree from the S 1 Executive Committee, along with Karl Cohen and W. I. Thompson from Standard Oil, visited the pilot plant at Anacostia. They were impressed with the simplicity of the process, but disappointed that no enriched uranium product had been withdrawn from the plant; production had been calculated by measuring the difference in concentration. They calculated that a liquid thermal diffusion plant capable of producing 1 kg per day of uranium enriched to 90% uranium 235 would require 21,800 36 feet (11 m) columns, each with a separation factor of 30.7%. It would take 18 months to build, assuming the use of the Manhattan Project's overriding priority for materials. This included of scarce copper for the outer tubes and nickel for the inner, which would be required to resist corrosion by the steam and uranium hexafluoride respectively. The estimated cost of such a plant was around $32.6 million to build and $62,600 per day to run. What killed the proposal was that the plant would require 600 days to reach equilibrium, by which time $72 million would have been spent, which the S 1 Executive Committee rounded up to $75 million. Assuming that work started immediately, and the plant worked as designed, no enriched uranium could be produced before 1946. Murphree suggested that a liquid thermal diffusion plant producing uranium enriched to 10% uranium 235 might be a substitute for the lower stages of a gaseous diffusion plant, but the S 1 Executive Committee decided against this. Between February and July 1943 the Anacostia pilot plant produced of slightly enriched uranium hexafluoride, which was shipped to the Metallurgical Laboratory. In September 1943, the S 1 Executive Committee decided that no more uranium hexafluoride would be allocated to the NRL, although it would exchange enriched uranium hexafluoride for regular uranium hexafluoride. Groves turned down an order from the NRL for additional uranium hexafluoride in October 1943. When it was pointed out that the navy had developed the production process for uranium hexafluoride in the first place, the army reluctantly agreed to fulfil the order.

Пилотный завод в Филадельфии

Исследования Абельсона показали, что для сокращения времени установления равновесия ему требовался значительно больший градиент температуры. NRL рассматривала возможность строительства на Экспериментальной станции военно-морского машиностроения в Аннаполисе, штат Мэриленд, но предварительная стоимость оценивалась в 2,5 миллиона долларов, что NRL посчитала слишком дорогой. Были рассмотрены другие площадки, и было решено построить новый пилотный завод в Лаборатории военно-морских котлов и турбин (NBTL) на Филадельфийской военно-морской верфи, где было достаточно места, пара и охлаждающей воды, и, что, возможно, самое важное, инженеры, имеющие опыт работы с паром высокого давления. Стоимость оценивалась в 500 000 долларов. Пилотный завод был утвержден контр-адмиралом Эрлом У. Миллсом, помощником начальника Бюро кораблей, 17 ноября 1943 года. Строительство началось 1 января 1944 года и было завершено в июле. NBTL отвечала за проектирование, строительство и эксплуатацию систем паро- и водоснабжения, в то время как NRL занималась колоннами и вспомогательным оборудованием. Капитан Торвальд А. Солберг из Бюро кораблей был назначен руководителем проекта. Пилотный завод в Филадельфии занимал площадь на участке в одном квартале к западу от Брод-стрит, недалеко от реки Делавэр. Завод состоял из 102 колонн высотой 48 футов (15 м), известных как "решетка", расположенных каскадом из семи ступеней. Предполагалось, что завод сможет производить один грамм урана в день, обогащенного до 6% урана-235. Внешние медные трубы охлаждались водой, циркулирующей между ними и внешними стальными трубами диаметром 4 дюйма. Внутренние никелевые трубы нагревались паром высокого давления при температуре и давлении . Каждая колонна вмещала около гексафторида урана. Процесс осуществлялся за счет давления пара; единственными движущимися частями были водяные насосы. В рабочем режиме решетка потребляла 11,6 МВт мощности. Каждая колонна была соединена с резервуаром, содержащим гексафторида урана. Из-за опасности, связанной с обращением с гексафторидом урана, все работы с ним, такие как пополнение резервуаров из транспортных баллонов, проводились в перекачиваемой. Колонны на заводе в Филадельфии работали параллельно, а не последовательно, поэтому в конечном итоге на пилотном заводе в Филадельфии было произведено более гексафторида урана, обогащенного до 0,86% урана-235, который был передан в рамках Манхэттенского проекта. Пилотный завод в Филадельфии был демонтирован в сентябре 1946 года, пригодное для повторного использования оборудование было возвращено в NRL, а остальное было сброшено в море.

Abelson's studies indicated that in order to reduce the equilibrium time, he needed to have a much greater temperature gradient. The NRL considered building it at the Naval Engineering Experiment Station in Annapolis, Maryland, but this was estimated to cost $2.5 million, which the NRL regarded as too expensive. Other sites were canvassed, and it was decided to build a new pilot plant at the Naval Boiler and Turbine Laboratory (NBTL) at the Philadelphia Navy Yard, where there was space, steam and cooling water, and, perhaps most important of all, engineers with experience with high pressure steam. The cost was estimated at $500,000. The pilot plant was authorized by Rear Admiral Earle W. Mills, the Assistant Chief of the Bureau of Ships on 17 November 1943. Construction commenced on 1 January 1944, and was completed in July. The NBTL was responsible for the design, construction and operation of the steam and cooling water systems, while the NRL dealt with the columns and subsidiary equipment. Captain Thorvald A. Solberg from the Bureau of Ships was project officer. The Philadelphia pilot plant occupied of space on a site one block west of Broad Street, near the Delaware River. The plant consisted of 102 48 feet (15 m) columns, known as a "rack", arranged into a cascade of seven stages. The plant was intended to be able to produce one gram per day of uranium enriched to 6% uranium 235. The outer copper tubes were cooled by water flowing between them and the external 4 inch steel pipes. The inner nickel tubes were heated by high pressure steam at and Each column therefore held about of uranium hexafluoride. This was driven by vapor pressure; the only working parts were the water pumps. In operation, the rack consumed 11.6 MW of power. Each column was connected to a reservoir of of uranium hexafluoride. Because of the dangers involved in handling uranium hexafluoride, all work with it, such as replenishing the reservoirs from the shipping cylinders, was accomplished in a transfer room. The columns at the Philadelphia plant were operated in parallel instead of in series, so the Philadelphia pilot plant eventually produced over of uranium hexafluoride enriched to 0.86 percent uranium 235, which was handed over to the Manhattan Project. The Philadelphia pilot plant was disposed of in September 1946, with salvageable equipment being returned to the NRL, while the rest was dumped at sea.

Строительство

В начале 1944 года известие о пилотном заводе в Филадельфии достигло Роберта Оппенгеймера, директора Лос-Аламосской лаборатории. Оппенгеймер написал Конанту 4 марта 1944 года и запросил отчеты по проекту жидкостной тепловой диффузии, которые Конант переслал. Как и большинство других, Оппенгеймер рассматривал обогащение урана с точки зрения процесса получения урана оружейного качества, пригодного для использования в атомной бомбе, но теперь он рассматривал и другой вариант. Если колонны на филадельфийском заводе работали бы параллельно, а не последовательно, то можно было бы производить 12 кг в день урана, обогащенного до 1 процента. Это могло быть ценно, поскольку процесс электромагнитного обогащения, способный производить один грамм урана, обогащенного до 40 процентов U-235 из природного урана, мог бы производить два грамма в день урана, обогащенного до 80 процентов U-235, если исходное сырье обогащено до 1,4 процента U-235, что вдвое больше, чем 0,7 процента в природном уране. 28 апреля он написал Гроувсу, указав, что "производство завода Y-12 можно увеличить примерно на 30 или 40 процентов, а его эффективность несколько улучшить, за много месяцев до запланированной даты начала производства на K-25". Гроувс получил разрешение от Комитета военной политики возобновить контакт с флотом, и 31 мая 1944 года он назначил комиссию для изучения вопроса, состоящую из Мерфри, Льюиса и его научного советника Ричарда Толмана. На следующий день комиссия посетила пилотный завод в Филадельфии. Они сообщили, что, хотя Оппенгеймер в принципе прав, его оценки были слишком оптимистичными. Добавление двух дополнительных стеллажей к пилотной установке займет два месяца, но не обеспечит достаточного исходного сырья для удовлетворения потребностей электромагнитной установки Y-12 на Клинтонском инженерном комплексе. Поэтому они рекомендовали построить полномасштабную жидкостную теплодиффузионную установку. 12 июня Гроувс попросил Мерфри предоставить смету стоимости производственного завода, способного производить 50 кг урана, обогащенного до 0,9–3,0 процентов U-235 в день. Мерфри, Толман, Коэн и Томпсон оценили, что завод с 1600 колоннами будет стоить 3,5 миллиона долларов. 24 июня 1944 года Гроувс одобрил строительство и сообщил Комитету военной политики, что установка будет введена в эксплуатацию к 1 января 1945 года. Рассматривались площадки у плотины Уоттс-Бар, в Масл-Шолс и Детройте, но было решено построить завод на Клинтонском инженерном комплексе, где воду можно брать из реки Клинч, а пар – с электростанции K-25. Проект тепловой диффузии получил кодовое название S-50. В июне в штаб-квартире Манхэттенского проекта было создано подразделение S-50 под командованием подполковника Марка С. Фокса, а его помощником был майор Томас Дж. Эванс-младший, наделенный особыми полномочиями по строительству завода. Гроувс выбрал компанию H. K. Ferguson Company из Кливленда, штат Огайо, в качестве генерального подрядчика, основываясь на ее репутации своевременного завершения работ, в частности, завода Gulf Ordnance в Миссисипи, по контракту на возмещение затрат плюс фиксированная плата. Компания H. A. Jones Construction построит паровую установку, а H. K. Ferguson выступит в качестве инженер-архитектора. Хотя его советники оценивали, что строительство завода займет шесть месяцев, Гроувс дал компании H. K. Ferguson всего четыре, и он хотел, чтобы завод начал работать всего через 75 дней. 26 июня Гроувс, Толман, Фокс и Уэллс Н. Томпсон из H. K. Ferguson собрали чертежи пилотного завода в Филадельфии. Производственная установка будет состоять из двадцати одного стеллажа со 102 колоннами, расположенных в трех группах по семь, в общей сложности 2142 колонны длиной 15 метров. Каждый стеллаж был копией пилотного завода в Филадельфии. Колонны должны были быть изготовлены с высокой точностью: ± для диаметра внутренних никелевых труб и ± между внутренними никелевыми и внешними медными трубами. Первые заказы на колонны были размещены 5 июля. Обратились в двадцать три компании, и Grinnell Company из Провиденса, штат Род-Айленд, и Mehring and Hanson Company из Вашингтона, округ Колумбия, приняли вызов. 9 июля 1944 года на месте строительства был произведен первый земляной разрез. К 16 сентября, когда была завершена примерно треть завода, первый стеллаж начал работу. Испытания, проведенные в сентябре и октябре, выявили проблемы с протекающими трубами, которые потребовали дополнительной сварки. Тем не менее, все стеллажи были установлены и готовы к эксплуатации в январе 1945 года. Контракт на строительство был расторгнут 15 февраля, а оставшиеся работы по теплоизоляции и электромонтажу были переданы другим компаниям в районе Ок-Ридж. Они также завершили строительство вспомогательных зданий, включая новую паровую установку. Завод был полностью введен в эксплуатацию в марте 1945 года. Строительство новой котельной было одобрено 16 февраля 1945 года. Первая котельная была запущена 5 июля 1945 года, а эксплуатация началась 13 июля. Работы были завершены 15 августа 1945 года. Здание теплодиффузионного процесса (F01) представляло собой черное сооружение длиной 159 метров, шириной 25 метров и высотой 23 метра. Для каждой пары стеллажей, за исключением последнего, который предназначался для учебных целей, была предусмотрена одна контрольная и одна перекачивающая комната. Четыре насоса перекачивали в минуту охлаждающей воды из реки Клинч. Паровые насосы были специально разработаны компанией Pacific Pumps Inc. Завод был спроектирован для использования всей мощности электростанции K-25, но по мере ввода в эксплуатацию этапов K-25 возникла конкуренция за эту мощность. Было решено построить новую котельную. Было приобретено двенадцать избыточных котлов, первоначально предназначенных для эскортных миноносцев. Более низкая температура горячей стенки из-за сниженного давления пара (вместо в пилотном заводе) компенсировалась простотой эксплуатации. Поскольку они работали на мазуте, была добавлена мазутная резервуарная ферма с достаточным запасом для работы завода в течение 60 дней. Помимо здания теплодиффузионного процесса (F01) и новой паровой установки (F06), в районе S-50 также располагались насосная станция (F02), лаборатории, столовая, машинный цех (F10), склады, автозаправочная станция и очистные сооружения (F03).

In early 1944, news of the Philadelphia pilot plant reached Robert Oppenheimer, the director of the Los Alamos Laboratory. Oppenheimer wrote to Conant on 4 March 1944, and asked for the reports on the liquid thermal diffusion project, which Conant forwarded. Like nearly everyone else, Oppenheimer had been thinking of uranium enrichment in terms of a process to produce weapons grade uranium suitable for use in an atomic bomb, but now he considered another option. If the columns at the Philadelphia plant were operated in parallel instead of in series, then it might produce 12 kg per day of uranium enriched to 1 percent. This could be valuable because an electromagnetic enrichment process that could produce one gram of uranium enriched to 40 percent uranium 235 from natural uranium, could produce two grams per day of uranium enriched to 80 percent uranium 235 if the feed was enriched to 1.4 percent uranium 235, double the 0.7 percent of natural uranium. On 28 April, he wrote to Groves, pointing out that "the production of the Y 12 plant could be increased by some 30 or 40 percent, and its enhancement somewhat improved, many months earlier than the scheduled date for K 25 production." Groves obtained permission from the Military Policy Committee to renew contact with the navy, and on 31 May 1944 he appointed a review committee consisting of Murphree, Lewis, and his scientific advisor, Richard Tolman, to investigate. The review committee visited the Philadelphia pilot plant the following day. They reported that while Oppenheimer was fundamentally correct, his estimates were optimistic. Adding an additional two racks to the pilot plant would take two months, but would not produce enough feed to meet the requirements of the Y 12 electromagnetic plant at the Clinton Engineer Works. They therefore recommended that a full scale liquid thermal diffusion plant be built. Groves therefore asked Murphree on 12 June for a costing of a production plant capable of producing 50 kg of uranium enriched to between 0.9 and 3.0 percent uranium 235 per day. Murphree, Tolman, Cohen and Thompson estimated that a plant with 1,600 columns would cost $3.5 million. Groves approved its construction on 24 June 1944, and informed the Military Policy Committee that it would be operational by 1 January 1945. Sites at Watts Bar Dam, Muscle Shoals and Detroit were considered, but it was decided to build it at the Clinton Engineer Works, where water could be obtained from the Clinch River and steam from the K 25 powerhouse. The thermal diffusion project was codenamed S 50. An S 50 Division was created at the Manhattan District headquarters in June under Lieutenant Colonel Mark C. Fox, with Major Thomas J. Evans, Jr., as his assistant with special authority for plant construction. Groves selected the H. K. Ferguson Company of Cleveland, Ohio, as the prime construction contractor on its record of finishing jobs on time, notably the Gulf Ordnance Plant in Mississippi, on a cost plus fixed fee contract. The H. A. Jones Construction Company would build the steam plant, with H. K. Ferguson as engineer architect. Although his advisors had estimated that it would take six months to build the plant, Groves gave H. K. Ferguson just four, and he wanted operations to commence in just 75 days. Groves, Tolman, Fox, and Wells N. Thompson from H. K. Ferguson, collected blueprints of the Philadelphia pilot from there on 26 June. The production plant would consist of twenty one 102 column racks, arranged in three groups of seven, a total of 2,142 48 feet (15 m) columns. Each rack was a copy of the Philadelphia pilot plant. The columns had to be manufactured to fine tolerances; ± for the diameter of the inner nickel tubes, and ± between the inner nickel tubes and the outer copper tubes. The first orders for columns were placed on 5 July. Twenty three companies were approached, and the Grinnell Company of Providence, Rhode Island, and the Mehring and Hanson Company of Washington, D. C., accepted the challenge. Ground was broken at the site on 9 July 1944. By 16 September, with about a third of the plant complete, the first rack had commenced operation. Testing in September and October revealed problems with leaking pipes that required further welding. Nonetheless, all racks were installed and ready for operations in January 1945. The construction contract was terminated on 15 February, and the remaining insulation and electrical work was assigned to other firms in the Oak Ridge area. They also completed the auxiliary buildings, including the new steam plant. The plant became fully operational in March 1945. Construction of the new boiler plant was approved on 16 February 1945. The first boiler was started on 5 July 1945, and operations commenced on 13 July. Work was completed on 15 August 1945. The Thermal Diffusion Process Building (F01) was a black structure 522 feet (159 m) long, 82 feet (25 m) wide, and 75 feet (23 m) high. There was one control room and one transfer room for each pair of racks, except for the final one, which had its own control and transfer rooms for training purposes. Four pumps drew per minute of cooling water from the Clinch River. Steam pumps were specially designed by Pacific Pumps Inc. The plant was designed to use the entire output of the K 25 powerhouse, but as K 25 stages came online there was competition for this. It was decided to build a new boiler plant. Twelve surplus boilers originally intended for destroyer escorts were acquired from the navy. The lower hot wall temperature due to the reduced steam pressure ( instead of the of the pilot plant) was compensated for by the ease of operation. Because they were oil fired, a oil tank farm was added, with sufficient storage to operate the plant for 60 days. In addition to the Thermal Diffusion Process Building (F01) and the new steam plant (F06) buildings, structures in the S 50 area included the pumping station (F02), laboratories, a cafeteria, machine shop (F10), warehouses, a gas station, and a water treatment plant (F03).

Производство

По соображениям безопасности Гроувз хотел, чтобы новым заводом управляла компания H. K. Ferguson, но это была профсоюзная организация, а правила безопасности на Клинтонских инженерных работах не допускали деятельности профсоюзов. Чтобы обойти это ограничение, H. K. Ferguson создала полностью дочернюю компанию – Fercleve Corporation (от Ferguson of Cleveland), и Манхэттенский округ заключил с ней контракт на эксплуатацию завода за 11 000 долларов в месяц. Персонал нового завода первоначально проходил обучение на пилотном заводе в Филадельфии. В августе 1944 года Гроувз, Конант и Фокс обратились к десяти рядовым из Отряда специальных инженеров (SED) в Оук-Ридже с просьбой о добровольцах, предупредив, что работа будет сопряжена с опасностью. Все десять согласились. Брэгг посмертно был награжден наградой ВМС «За выдающиеся заслуги в гражданской службе» 21 июня 1993 года. Полковник Стаффорд Л. Уоррен, начальник медицинского отдела Манхэттенского округа, извлек внутренние органы погибших и отправил их в Оук-Ридж для анализа. Их похоронили без органов. По оценкам, завод S 50 ускорил производство обогащенного урана, использованного в бомбе Little Boy, примененной при атомной бомбардировке Хиросимы, на одну неделю. «Если бы я осознал возможности тепловой диффузии, – позже писал Гроувс, – мы бы приступили к ее реализации гораздо раньше, уделили бы больше времени проектированию завода и сделали бы его значительно больше и лучше. Его влияние на производство U 235 в июне и июле 1945 года было бы существенным».

Послевоенные годы

Вскоре после окончания войны в августе 1945 года подполковник Артур В. Петерсон, офицер Манхэттенского округа, отвечавший за общее руководство производством делящегося материала, рекомендовал перевести завод S 50 в режим ожидания. 4 сентября 1945 года Манхэттенский округ отдал приказ о закрытии завода. Это была единственная жидкостно-теплодиффузионная установка, построенная в промышленных масштабах, но её эффективность не могла сравниться с газодиффузионной установкой. Рабочие также изготавливали блоки обогащённого урана и графита. Завод S 50 был демонтирован в конце 1940-х годов. Оборудование было перевезено в район электростанции К-25, где оно хранилось до утилизации или захоронения.