Теннессийский реактор: история создания плутония для Манхэттенского проекта.

Введение

В апреле 1941 года Комитет по исследованиям национальной обороны (NDRC) попросил Артура Комптона, лауреата Нобелевской премии, профессора физики Чикагского университета, предоставить отчет о программе по урану. В отчете, представленном в мае 1941 года, он предвидел перспективы разработки радиологического оружия, ядерной двигательной установки для кораблей и ядерного оружия на основе урана-235 или недавно открытого плутония. В октябре он написал еще один отчет о возможности создания атомной бомбы. Нильс Бор и Джон Уилер предположили, что тяжелые изотопы с четным атомным номером и нечетным числом нейтронов являются делящимися. Если это так, то, вероятно, делящимся будет и плутоний-239. Эмилио Сегре и Гленн Сиборг из Калифорнийского университета 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. В то время плутоний-239 производился в незначительных количествах с помощью циклотронов, но таким способом было невозможно получить большие объемы. Комптон обсудил с Юджином Вигнером из Принстонского университета, как плутоний можно производить в ядерном реакторе, а с Робертом Сербером – как плутоний, полученный в реакторе, можно отделить от урана. В окончательном варианте отчета Комптона за ноябрь 1941 года не упоминалось использование плутония, но после обсуждения последних исследований с Эрнестом Лоуренсом Комптон убедился, что плутониевая бомба также осуществима. В декабре Комптон был назначен руководителем проекта по плутонию, получившего кодовое название X-10. Его задачами были создание реакторов для переработки урана в плутоний, поиск способов химического разделения плутония и урана, а также проектирование и создание атомной бомбы. Комптону предстояло решить, какие из различных конструкций реакторов должны разрабатывать ученые, хотя работоспособный реактор еще не был построен. Он считал, что наличие групп в Колумбийском, Принстонском, Чикагском и Калифорнийском университетах приводит к излишнему дублированию и недостатку сотрудничества, и поэтому сосредоточил работу в Металлургической лаборатории Чикагского университета.

Decommissioned nuclear reactor in Tennessee

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. His report, submitted in May 1941, foresaw the prospects of developing radiological weapons, nuclear propulsion for ships, and nuclear weapons using uranium 235 or the recently discovered plutonium. In October he wrote another report on the practicality of an atomic bomb. Niels Bohr and John Wheeler had theorized that heavy isotopes with even atomic numbers and odd number of neutrons were fissile. If so, then plutonium 239 was likely to be. 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. At the time plutonium 239 had been produced in minute quantities using cyclotrons, but it was not possible to produce large quantities that way. Compton discussed with Eugene Wigner from Princeton University how plutonium might be produced in a nuclear reactor, and with Robert Serber how the plutonium produced in a reactor might be separated from uranium. The final draft of Compton's November 1941 report made no mention of using plutonium, but after discussing the latest research with Ernest Lawrence, Compton became convinced that a plutonium bomb was also feasible. In December, Compton was placed in charge of the plutonium project, which was codenamed X 10. 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. It fell to Compton to decide which of the different types of reactor designs the scientists should pursue, even though a successful reactor had not yet been built. He felt that having teams at Columbia, Princeton, the University of Chicago and the University of California was creating too much duplication and not enough collaboration, and he concentrated the work at the Metallurgical Laboratory at the University of Chicago.

Выбор места

К июню 1942 года Манхэттенский проект достиг стадии, когда можно было рассмотреть строительство производственных мощностей. 25 июня 1942 года Исполнительный комитет Управления научных исследований и разработок (OSRD) S 1 обсудил, где они должны быть расположены. Переход непосредственно к мегаваттной производственной установке казался слишком резким шагом, учитывая, что многие промышленные процессы сложно масштабировать от лабораторных к производственным масштабам. Считалось целесообразным сделать промежуточный шаг – построить пилотную установку. Для пилотной установки по разделению плутония требовалось место вблизи Металлургической лаборатории, где велись исследования, но по соображениям безопасности нежелательно было размещать объекты в густонаселенном районе, таком как Чикаго. Комптон выбрал участок в Аргоннском лесу, входящем в состав Лесопаркового округа округа Кук (Forest Preserve District of Cook County), примерно в 32 км (20 миль) к юго-западу от Чикаго. Полномасштабные производственные мощности должны были быть расположены совместно с другими объектами Манхэттенского проекта в еще более отдаленном месте в Теннесси. Часть земли была арендована у округа Кук для пилотных установок, а участок для производственных мощностей был выбран в Оук-Ридже, штат Теннесси. На заседании Исполнительного комитета S 1 13 и 14 сентября стало очевидно, что пилотные установки будут слишком велики для площадки в Аргонне, поэтому вместо этого в Аргонне будет построен исследовательский реактор, а пилотные установки по плутонию (полузавод) будут построены на Клинтонском инженерном комплексе в Теннесси. Этот участок был выбран на основе нескольких критериев. Пилотные установки по плутонию должны были находиться на удалении от границы участка и любых других сооружений, на случай утечки радиоактивных продуктов деления. Хотя соображения безопасности требовали удаленного расположения, он все же должен был быть рядом с источниками рабочей силы и иметь доступ по автомобильным и железнодорожным дорогам. Желательным был умеренный климат, позволяющий вести строительство круглый год. Местность, разделенная хребтами, должна была снизить воздействие случайных взрывов, но склоны не должны быть настолько крутыми, чтобы затруднять строительство. Основание должно было быть достаточно прочным для надежного фундамента, но не настолько скалистым, чтобы мешать земляным работам. Требовалось большое количество электроэнергии (доступной от Управления долиной Теннесси) и охлаждающей воды. Наконец, политика военного ведомства гласила, что, как правило, объекты по производству боеприпасов не должны располагаться к западу от хребтов Сьерра-Невада или Каскадных гор, к востоку от Аппалачских гор или в пределах 322 км (200 миль) от канадской или мексиканской границы. В декабре было решено, что установки по производству плутония не будут строиться в Оук-Ридже, а на еще более отдаленном объекте – Ханфорд в штате Вашингтон. Комптон и сотрудники Металлургической лаборатории вновь подняли вопрос о строительстве полузавода по плутонию в Аргонне, но инженеры и руководство компании DuPont, особенно Роджер Уильямс, глава ее подразделения TNX, отвечавшего за роль компании в Манхэттенском проекте, не поддержали это предложение. Они считали, что в Аргонне будет недостаточно места, и что наличие столь доступного участка имеет недостатки, поскольку они опасались, что это позволит исследовательскому персоналу из Металлургической лаборатории необоснованно вмешиваться в проектирование и строительство, что они считали своей прерогативой. По их мнению, более подходящим местом было бы удаленное производственное предприятие в Ханфорде. В итоге был достигнут компромисс. 12 января 1943 года Комптон, Уильямс и бригадный генерал Лесли Р. Гроувз-младший, директор Манхэттенского проекта, согласились, что полузавод будет построен на Клинтонском инженерном комплексе. Комптон и Гроувз предложили, чтобы DuPont управлял полузаводом. Уильямс предложил в качестве альтернативы, чтобы полузаводом управляла Металлургическая лаборатория, поскольку он должен был быть в первую очередь исследовательским и учебным центром, а соответствующая экспертиза имелась в Металлургической лаборатории. Комптон был потрясен: Металлургическая лаборатория была частью Чикагского университета, и, следовательно, университет должен был управлять промышленным предприятием в 805 км (500 миль) от своего главного кампуса. Джеймс Б. Конант сказал ему, что Гарвардский университет "ни за что не возьмется за это", но вице-президент Чикагского университета Эмери Т. Филби придерживался иного мнения и распорядился, чтобы Комптон согласился. Когда президент университета Роберт Хатчинс вернулся, он поприветствовал Комптона словами: "Я вижу, Артур, пока меня не было, ты удвоил размер моего университета".

By June 1942, the Manhattan Project had reached the stage where the construction of production facilities could be contemplated. On June 25, 1942, the Office of Scientific Research and Development (OSRD) S 1 Executive Committee deliberated on where they should be located. Moving directly to a megawatt production plant looked like a big step, given that many industrial processes do not easily scale from the laboratory to production size. An intermediate step of building a pilot plant was considered prudent. For the pilot plutonium separation plant, a site was wanted close to the Metallurgical Laboratory, where the research was being carried out, but for reasons of safety and security, it was not desirable to locate the facilities in a densely populated area like 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 Chicago. The full scale production facilities would be co located with other Manhattan Project facilities at a still more remote location in Tennessee. Some of land was leased from Cook County for the pilot facilities, while an site for the production facilities was selected at Oak Ridge, Tennessee. By the S 1 Executive Committee meeting on September 13 and 14, it had become apparent that the pilot facilities would be too extensive for the Argonne site, so instead a research reactor would be built at Argonne, while the plutonium pilot facilities (a semiworks) would be built at the Clinton Engineer Works in Tennessee. This site was selected on the basis of several criteria. The plutonium pilot facilities needed to be from the site boundary and any other installation, in case radioactive fission products escaped. While security and safety concerns suggested a remote site, it still needed to be near sources of labor, and accessible by road and rail transportation. A mild climate that allowed construction to proceed throughout the year was desirable. Terrain separated by ridges would reduce the impact of accidental explosions, but they could not be so steep as to complicate construction. The substratum needed to be firm enough to provide good foundations, but not so rocky that it would hinder excavation work. It needed large amounts of electrical power (available from the Tennessee Valley Authority) and cooling water. Finally, a War Department policy held that, as a rule, munitions facilities should not be located west of the Sierra or Cascade Ranges, east of the Appalachian Mountains, or within 200 mile (322 km) of the Canadian or Mexican borders. In December, it was decided that the plutonium production facilities would not be built at Oak Ridge after all, but at the even more remote Hanford Site in Washington state. Compton and the staff at the Metallurgical Laboratory then reopened the question of building the plutonium semiworks at Argonne, but the engineers and management of DuPont, particularly Roger Williams, the head of its TNX Division, which was responsible for the company's role in the Manhattan Project, did not support this proposal. They felt that there would be insufficient space at Argonne, and that there were disadvantages in having a site that was so accessible, as they were afraid that it would permit the research staff from the Metallurgical Laboratory to interfere unduly with the design and construction, which they considered their prerogative. A better location, they felt, would be with the remote production facilities at Hanford. In the end a compromise was reached. On January 12, 1943, Compton, Williams, and Brigadier General Leslie R. Groves, Jr., the director of the Manhattan Project, agreed that the semiworks would be built at the Clinton Engineer Works. Both Compton and Groves proposed that DuPont operate the semiworks. Williams counter proposed that the semiworks be operated by the Metallurgical Laboratory. He reasoned that it would primarily be a research and educational facility, and that expertise was to be found at the Metallurgical Laboratory. Compton was shocked; the Metallurgical Laboratory was part of the University of Chicago, and therefore the university would be operating an industrial facility 500 mile (805 km) from its main campus. James B. Conant told him that Harvard University "wouldn't touch it with a ten foot pole", but the University of Chicago's Vice President, Emery T. Filbey, took a different view, and instructed Compton to accept. When University President Robert Hutchins returned, he greeted Compton with "I see, Arthur, that while I was gone you doubled the size of my university".

Дизайн

Основными конструктивными решениями при создании реактора являлись выбор топлива, теплоносителя и нейтронного замедлителя. Выбор топлива был однозначным: в наличии был только природный уран. Решение о том, что в реакторе будет использоваться графит в качестве нейтронного замедлителя, не вызвало серьезных дебатов. Хотя при использовании тяжелой воды в качестве замедлителя количество нейтронов, производимых на каждый поглощенный (известное как коэффициент k), было на 10 процентов выше, чем в самом чистом графите, тяжелая вода не была бы доступна в достаточных количествах как минимум в течение года. Это оставило выбор теплоносителя, по поводу которого велось множество дискуссий. Ограничивающим фактором было то, что топливные стержни должны были быть заключены в алюминиевую оболочку, поэтому рабочая температура реактора не могла превышать [значение опущено в оригинале]. Теоретические физики из группы Вигнера в Металлургической лаборатории разработали несколько вариантов конструкции. В ноябре 1942 года инженеры DuPont выбрали гелий в качестве теплоносителя для производственной установки, главным образом на основании того, что он не поглощает нейтроны, но также и потому, что он инертен, что исключало проблему коррозии. Не все согласились с решением использовать гелий. Силард, в частности, был одним из первых сторонников использования жидкого висмута, но основным противником был Вигнер, который настойчиво выступал за конструкцию реактора с водяным охлаждением. Он понимал, что поскольку вода поглощает нейтроны, коэффициент k уменьшится примерно на 3 процента, но был настолько уверен в своих расчетах, что реактор с водяным охлаждением все равно сможет достичь критичности. С инженерной точки зрения, конструкция с водяным охлаждением была простой в проектировании и строительстве, в то время как гелий представлял технологические трудности. Команда Вигнера подготовила предварительный отчет о водяном охлаждении, обозначенный CE 140 в апреле 1942 года, за которым последовал более подробный отчет CE 197 под названием «О заводе с водяным охлаждением» в июле 1942 года. Реактор Ферми «Чикагский куча-1», построенный под западными трибунами оригинального Стагг Филд в Чикагском университете, «стал критическим» 2 декабря 1942 года. Этот графитозамедленный реактор генерировал мощность до 200 Вт, но он продемонстрировал, что коэффициент k был выше, чем ожидалось. Это не только сняло большинство возражений против конструкций реакторов с воздушным и водяным охлаждением, но и значительно упростило другие аспекты конструкции. Команда Вигнера представила чертежи реактора с водяным охлаждением в DuPont в январе 1943 года. К этому времени опасения инженеров DuPont относительно коррозионной активности воды были преодолены растущими трудностями при использовании гелия, и все работы с гелием были прекращены в феврале. Одновременно для реактора на пилотной установке было выбрано воздушное охлаждение. Поскольку его конструкция значительно отличалась от конструкции производственных реакторов, графитовый реактор X-10 потерял свою ценность в качестве прототипа, но сохранил свою ценность как действующая пилотная установка, обеспечивающая плутоний, необходимый для исследований. Была надежда, что проблемы будут выявлены вовремя, чтобы их можно было решить на производственных предприятиях. Полузавод также будет использоваться для обучения и разработки процедур.

The fundamental design decisions in building a reactor are the choice of fuel, coolant and neutron moderator. The choice of fuel was straightforward; only natural uranium was available. The decision that the reactor would use graphite as a neutron moderator caused little debate. Although with heavy water as moderator the number of neutrons produced for every one absorbed (known as k factor) was 10 percent more than in the purest graphite, heavy water would be unavailable in sufficient quantities for at least a year. This left the choice of coolant, over which there was much discussion. A limiting factor was that the fuel slugs would be clad in aluminum, so the operating temperature of the reactor could not exceed The theoretical physicists in Wigner's group at the Metallurgical Laboratory developed several designs. In November 1942, the DuPont engineers chose helium gas as the coolant for the production plant, mainly on the basis that it did not absorb neutrons, but also because it was inert, which removed the issue of corrosion. Not everyone agreed with the decision to use helium. Szilard, in particular, was an early proponent of using liquid bismuth; but the major opponent was Wigner, who argued forcefully in favor of a water cooled reactor design. He realized that since water absorbed neutrons, k would be reduced by about 3 percent, but had sufficient confidence in his calculations that the water cooled reactor would still be able to achieve criticality. From an engineering perspective, a water cooled design was straightforward to design and build, while helium posed technological problems. Wigner's team produced a preliminary report on water cooling, designated CE 140 in April 1942, followed by a more detailed one, CE 197, titled "On a Plant with Water Cooling", in July 1942. Fermi's Chicago Pile 1 reactor, constructed under the west viewing stands of the original Stagg Field at the University of Chicago, "went critical" on December 2, 1942. This graphite moderated reactor only generated up to 200 W, but it demonstrated that k was higher than anticipated. This not only removed most of the objections to air cooled and water cooled reactor designs, it greatly simplified other aspects of the design. Wigner's team submitted blueprints of a water cooled reactor to DuPont in January 1943. By this time, the concerns of DuPont's engineers about the corrosiveness of water had been overcome by the mounting difficulties of using helium, and all work on helium was terminated in February. At the same time, air cooling was chosen for the reactor at the pilot plant. Since it would be of a quite different design from the production reactors, the X 10 Graphite Reactor lost its value as a prototype, but its value as a working pilot facility remained, providing plutonium needed for research. It was hoped that problems would be found in time to deal with them in the production plants. The semiworks would also be used for training, and for developing procedures.

Строительство

Хотя конструкция реактора еще не была завершена, 2 февраля 1943 года компания DuPont начала строительство полузавода по производству плутония на изолированном участке в долине Бетел, примерно в 10 милях (16 км) к юго-западу от Оук-Риджа, официально известном как район X-10. На участке располагались исследовательские лаборатории, завод по химическому разделению, площадка для хранения отходов, учебный центр для персонала Хэнфорда, а также административные и вспомогательные помещения, включающие прачечную, столовую, пункт первой помощи и пожарную станцию. В связи с последующим решением о строительстве водоохлаждаемых реакторов на Хэнфорде, только химический завод по разделению работала как полноценный пилотный образец. В конечном итоге полузавод стал известен как Клинтонские лаборатории и находился в управлении Чикагского университета в рамках Металлургического проекта. Строительство реактора пришлось отложить до завершения проектирования компанией DuPont. Земляные работы начались 27 апреля 1943 года. Вскоре был обнаружен большой карман мягкой глины, потребовавший устройства дополнительных фундаментов. Дальнейшие задержки были вызваны трудностями военного времени с поставками строительных материалов. Наблюдался острый дефицит как рабочих, так и квалифицированных специалистов; у подрядчика было лишь три четверти необходимой рабочей силы, наблюдалась высокая текучесть кадров и прогулы, в основном из-за плохих условий проживания и трудностей с транспортом. Поселок Оук-Ридж все еще строился, и для рабочих возводились бараки. Индивидуальные договоренности с работниками повышали их моральный дух и снижали текучесть кадров. Кроме того, в июле 1943 года выпало необычайно большое количество осадков, более чем в два раза превысившее среднее. Некоторые графитовые блоки были закуплены у National Carbon. Строительные бригады начали их укладку в сентябре 1943 года. Слитки урана поставлялись компаниями Metal Hydrides, Mallinckrodt и другими поставщиками. Из них выдавливали цилиндрические таблетки, а затем заключали в оболочки. Таблетки заключались в оболочки для защиты урана от коррозии при контакте с водой и для предотвращения выброса газообразных радиоактивных продуктов деления, которые могли образовываться при облучении. Алюминий был выбран из-за его хорошей теплопроводности и относительно небольшого поглощения нейтронов. Компания Alcoa начала заключение таблеток в оболочки 14 июня 1943 года. General Electric и Металлургическая лаборатория разработали новую технологию сварки для герметичной запайки оболочек, а оборудование для этого было установлено на производственной линии Alcoa в октябре 1943 года. Строительство пилотного завода по разделению началось до того, как был выбран химический процесс разделения плутония от урана. Только в мае 1943 года руководство DuPont решило использовать бисфосфатный процесс вместо процесса с использованием фторида лантана. Бисфосфатный процесс был разработан Стэнли Г. Томпсоном в Калифорнийском университете. Плутоний существовал в двух степенях окисления: четырехвалентной (+4) и шестихвалентной (+6), обладающих различными химическими свойствами. Бисфосфат имел кристаллическую структуру, сходную с фосфатом плутония, и плутоний переносился вместе с бисфосфатом в растворе, в то время как другие элементы, включая уран, осаждались. Перевод плутония из раствора в осадок осуществлялся путем изменения его степени окисления. Завод состоял из шести камер, отделенных друг от друга и от комнаты управления толстыми бетонными стенами. Оборудование управлялось из комнаты управления дистанционно из-за радиоактивности, создаваемой продуктами деления. Работы были завершены 26 ноября 1943 года, но завод не мог быть запущен до тех пор, пока реактор не начнет производить облученные урановые таблетки.

Although the design of the reactor was not yet complete, DuPont began construction of the plutonium semiworks on February 2, 1943, on an isolated site in the Bethel Valley about 10 mile (16 km) southwest of Oak Ridge officially known as the X 10 area. The site included research laboratories, a chemical separation plant, a waste storage area, a training facility for Hanford staff, and administrative and support facilities that included a laundry, cafeteria, first aid center, and fire station. Because of the subsequent decision to construct water cooled reactors at Hanford, only the chemical separation plant operated as a true pilot. The semiworks eventually became known as the Clinton Laboratories, and was operated by the University of Chicago as part of the Metallurgical Project. Construction work on the reactor had to wait until DuPont had completed the design. Excavation commenced on April 27, 1943. A large pocket of soft clay was soon discovered, necessitating additional foundations. Further delays occurred due to wartime difficulties in procuring building materials. There was an acute shortage of both common and skilled labor; the contractor had only three quarters of the required workforce, and there was high turnover and absenteeism, mainly the result of poor accommodations and difficulties in commuting. The township of Oak Ridge was still under construction, and barracks were built to house workers. Special arrangements with individual workers increased their morale and reduced turnover. Finally, there was unusually heavy rainfall, with falling in July 1943, more than twice the average of
Some of graphite blocks were purchased from National Carbon. The construction crews began stacking them in September 1943. Cast uranium billets came from Metal Hydrides, Mallinckrodt and other suppliers. These were extruded into cylindrical slugs, and then canned. The fuel slugs were canned to protect the uranium metal from corrosion that would occur if it came into contact with water, and to prevent the venting of gaseous radioactive fission products that might be formed when they were irradiated. Aluminum was chosen as it transmitted heat well but did not absorb too many neutrons. Alcoa started canning on June 14, 1943. General Electric and the Metallurgical Laboratory developed a new welding technique to seal the cans airtight, and the equipment for this was installed in the production line at Alcoa in October 1943. Construction commenced on the pilot separation plant before a chemical process for separating plutonium from uranium had been selected. Not until May 1943 would DuPont managers decide to use the bismuth phosphate process in preference to one using lanthanum fluoride. The bismuth phosphate process was devised by Stanley G. Thompson at the University of California. Plutonium had two oxidation states; a tetravalent (+4) state, and hexavalent (+6) state, with different chemical properties. Bismuth phosphate was similar in its crystalline structure to plutonium phosphate, and plutonium would be carried with bismuth phosphate in a solution while other elements, including uranium, would be precipitated. The plutonium could be switched from being in solution to being precipitated by toggling its oxidation state. The plant consisted of six cells, separated from each other and the control room by thick concrete walls. The equipment was operated from the control room by remote control due to the radioactivity produced by fission products. Work was completed on November 26, 1943, but the plant could not operate until the reactor started producing irradiated uranium slugs.

Операция

Графитовый реактор X 10 был вторым в мире искусственным ядерным реактором после Чикагского столба 1 и первым реактором, спроектированным и построенным для непрерывной работы. К февралю 1944 года реактор облучал тонну урана каждые три дня. В течение следующих пяти месяцев эффективность процесса разделения была улучшена, и процент извлеченного плутония увеличился с 40 до 90 процентов. Модификации с течением времени увеличили мощность реактора до 4000 кВт в июле 1944 года. Эффект нейтронного яда, ксенона-135, одного из многих продуктов деления, образующихся при использовании уранного топлива, не был обнаружен в начале эксплуатации графитового реактора X 10. Позднее ксенон-135 вызвал проблемы с запуском реактора Ханфорд B, что едва не остановило плутониевый проект. Полузавод X 10 функционировал как установка по производству плутония до января 1945 года, когда он был передан для проведения исследовательских работ. К этому времени было обработано 299 партий облученных образцов топлива. В апреле 1946 года были добавлены здание для радиоизотопов, паровая установка и другие сооружения для поддержки образовательных и исследовательских задач лаборатории в мирное время. Все работы были завершены к декабрю 1946 года, что добавило еще 1 009 000 долларов к стоимости строительства на X 10, доведя общую стоимость до 13 041 000 долларов. Операционные расходы составили еще 22 250 000 долларов. X 10 предоставил Лос-Аламосской лаборатории первые значительные образцы плутония. Исследования, проведенные Эмилио Г. Сегре и его группой P5 в Лос-Аламосе, показали, что плутоний содержал примеси в виде изотопа плутония-240, который имеет гораздо более высокую скорость спонтанного деления, чем плутоний-239. Это означало, что ядерное оружие пушечного типа на основе плутония с большой вероятностью самопроизвольно взорвется во время формирования критической массы. Таким образом, Лос-Аламосской лаборатории пришлось переключить свои усилия на создание ядерного оружия имплозионного типа – гораздо более сложной задачи. Химический сепарационный завод X 10 также подтвердил процесс с использованием фосфата висмута, который применялся на полномасштабных сепарационных установках в Ханфорде. Наконец, реактор и химический сепарационный завод предоставили неоценимый опыт инженерам, техникам, операторам реактора и специалистам по безопасности, которые затем перешли на работу на площадку в Ханфорде. Графитовый реактор X 10 был остановлен 4 ноября 1963 года после двадцати лет эксплуатации. 21 декабря 1965 года он был объявлен Национальным историческим памятником. В 1969 году Американское металлургическое общество включило его в список памятников за вклад в развитие материаловедения и технологий, а в 2008 году Американское химическое общество признало его Национальным историческим химическим памятником. Посетители могут осмотреть контрольную комнату и реактор во время запланированных экскурсий, проводимых Американским музеем науки и энергетики.

The X 10 Graphite Reactor was the world's second artificial nuclear reactor after Chicago Pile 1, and was the first reactor designed and built for continuous operation. By February 1944, the reactor was irradiating a ton of uranium every three days. Over the next five months, the efficiency of the separation process was improved, with the percentage of plutonium recovered increasing from 40 to 90 percent. Modifications over time raised the reactor's power to 4,000 kW in July 1944. The effect of the neutron poison xenon 135, one of many fission products produced from the uranium fuel, was not detected during the early operation of the X 10 Graphite Reactor. Xenon 135 subsequently caused problems with the startup of the Hanford B reactor that nearly halted the plutonium project. The X 10 semiworks operated as a plutonium production plant until January 1945, when it was turned over to research activities. By this time, 299 batches of irradiated slugs had been processed. A radioisotope building, a steam plant, and other structures were added in April 1946 to support the laboratory's peacetime educational and research missions. All work was completed by December 1946, adding another $1,009,000 (equivalent to $ in ) to the cost of construction at X 10, and bringing the total cost to $13,041,000 (equivalent to $ in ). Operational costs added another $22,250,000 (equivalent to $ in ). X 10 supplied the Los Alamos Laboratory with the first significant samples of plutonium. Studies of these by Emilio G. Segrè and his P 5 Group at Los Alamos revealed that it contained impurities in the form of the isotope plutonium 240, which has a far higher spontaneous fission rate than plutonium 239. This meant that it would be highly likely that a plutonium gun type nuclear weapon would predetonate and blow itself apart during the initial formation of a critical mass. The Los Alamos Laboratory was thus forced to turn its development efforts to creating an implosion type nuclear weapon—a far more difficult feat. The X 10 chemical separation plant also verified the bismuth phosphate process that was used in the full scale separation facilities at Hanford. Finally, the reactor and chemical separation plant provided invaluable experience for engineers, technicians, reactor operators, and safety officials who then moved on to the Hanford site. The X 10 Graphite Reactor was shut down on November 4, 1963, after twenty years of use. It was designated a National Historic Landmark on December 21, 1965, In 1969 the American Society for Metals listed it as a landmark for its contributions to the advancement of materials science and technology, and in 2008 it was designated as a National Historic Chemical Landmark by the American Chemical Society. The control room and reactor face are accessible to the public during scheduled tours offered through the American Museum of Science and Energy.

Аналогичные реакторы

Графитоисследовательский реактор Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) был первым ядерным реактором, построенным в Соединенных Штатах после Второй мировой войны. Под руководством Лайла Бенджамина Борста строительство реактора началось в 1947 году и впервые достигло критического состояния 22 августа 1950 года. Реактор представлял собой куб из графита размером 25 футов (8 м), обогащенный природным ураном. Его основной задачей были прикладные ядерные исследования в области медицины, биологии, химии, физики и ядерной инженерии. Одним из наиболее значительных достижений на этом объекте стало разработка производства молибдена-99/технеция-99m, который сегодня используется в десятках миллионов медицинских диагностических процедур ежегодно, что делает его наиболее распространенным медицинским радиоизотопом. Графитоисследовательский реактор BNL был остановлен в 1969 году и полностью выведен из эксплуатации в 2012 году. Когда в 1946 году Великобритания начала планировать строительство ядерных реакторов для производства плутония для оружия, было решено построить пару воздушно-охлаждаемых графитовых реакторов, аналогичных графитовому реактору X-10 в Виндскеле. Природный уран использовался, поскольку обогащенный уран был недоступен, и, аналогично, графит был выбран в качестве нейтронного замедлителя, поскольку бериллий был токсичен и сложен в производстве, а тяжелая вода отсутствовала. Рассматривалось использование воды в качестве охлаждающей жидкости, но существовали опасения по поводу возможности катастрофического ядерного расплавления на густонаселенных Британских островах в случае отказа системы охлаждения. Гелий снова был предпочтительным выбором в качестве охлаждающего газа, но основным источником гелия были Соединенные Штаты, и в соответствии с Актом Мак-Махона 1946 года Соединенные Штаты не стали бы поставлять его для производства ядерного оружия, поэтому в конечном итоге был выбран воздушный способ охлаждения. Строительство началось в сентябре 1947 года, и два реактора стали работать в октябре 1950 года и июне 1951 года. Оба были выведены из эксплуатации после катастрофического пожара в Виндскеле в октябре 1957 года. Это были последние крупные реакторы, производящие плутоний с воздушным охлаждением; в последующих разработках Великобритании, таких как реакторы Magnox и AGR, вместо этого использовался углекислый газ. По состоянию на 2016 год еще один реактор, аналогичный графитовому реактору X-10, все еще находится в эксплуатации – бельгийский реактор BR1 SCK•CEN, расположенный в Моле, Бельгия. Финансируемый за счет бельгийского налога на экспорт урана и построенный при помощи британских специалистов, исследовательский реактор мощностью 4 МВт впервые достиг критического состояния 11 мая 1956 года. Он используется в научных целях, таких как нейтронный активационный анализ, эксперименты по физике нейтронов, калибровка ядерных измерительных приборов и производство кремния, легированного нейтронной трансмутацией.

The Brookhaven National Laboratory (BNL) Graphite Research Reactor was the first nuclear reactor to be constructed in the United States following World War II. Led by Lyle Benjamin Borst, the reactor construction began in 1947 and reached criticality for the first time on August 22, 1950. The reactor consisted of a , 25 feet (8 m) cube of graphite fueled by natural uranium. Its primary mission was applied nuclear research in medicine, biology, chemistry, physics and nuclear engineering. One of the most significant discoveries at this facility was the development of production of molybdenum 99/technetium 99m, used today in tens of millions of medical diagnostic procedures annually, making it the most commonly used medical radioisotope. The BNL Graphite Research Reactor was shut down in 1969 and fully decommissioned in 2012. When Britain began planning to build nuclear reactors to produce plutonium for weapons in 1946, it was decided to build a pair of air cooled graphite reactors similar to the X 10 Graphite Reactor at Windscale. Natural uranium was used as enriched was not available, and similarly, graphite was chosen as a neutron moderator because beryllia was toxic and hard to manufacture, while heavy water was unavailable. Use of water as a coolant was considered, but there were concerns about the possibility of a catastrophic nuclear meltdown in the densely populated British Isles if the cooling system failed. Helium was again the preferred choice as a coolant gas, but the main source of it was the United States, and under the 1946 McMahon Act, the United States would not supply it for nuclear weapons production, so, in the end, air cooling was chosen. Construction began in September 1947, and the two reactors became operational in October 1950 and June 1951. Both were decommissioned after the disastrous Windscale fire in October 1957. They would be the last major air cooled plutonium producing reactors; the UK's follow on Magnox and AGR designs used carbon dioxide instead. as of 2016, another reactor of similar design to the X 10 Graphite Reactor is still in operation, the Belgian BR 1 reactor of the SCK•CEN, located in Mol, Belgium. Financed through the Belgian uranium export tax, and built with the help of British experts, the 4 MW research reactor went critical for the first time on May 11, 1956. It is used for scientific purposes, such as neutron activation analysis, neutron physics experiments, calibration of nuclear measurement devices and the production of neutron transmutation doped silicon.