Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

8.74. Окончательный продукт плутоний должен быть отделен с помощью химических процессов от сравнимого с ним количества продуктов деления и от много большего количества урана. Процесс отделения, выбранный из нескольких возможных, состоит из ряда реакций, включающих осаждение с носителями, растворение, окисление и восстановление.

8.75. Цепная реакция изучалась на котле малой мощности в Аргоннской лаборатории с начала 1943 года. Как цепная реакция, так и химические процессы отделения, исследовались также в Клинтонской лаборатории, начиная с ноября 1943 года, причем там было получено заметное количество плутония.

8.76. Постройка главной промышленной установки в Хэнфорде (шт. Вашингтон) началась в 1943 году. а первый большой котел был введен в действие в сентябре 1944 г. С лета 1945 г. работала уже вся установка, причем все котлы и химико-разделительные устройства работали лучше, чем это можно было предвидеть.

8.77. Многочисленные исследования были проведены по применению тяжелой воды в качестве замедлителя; в Аргоннской лаборатории был построен экспериментальный котел с тяжелой водой в качестве замедлителя. От планов постройки производственной установки, применяющей тяжелую воду, пришлось отказаться.

8.78. Секция охраны здоровья действовала по трем главным направлениям: (1) медицинский осмотр персонала, (2) советы, касающиеся опасности облучения, и постоянный контроль в рабочих условиях и (3) исследования влияния излучений. Тщательное планирование и исчерпывающая исследовательская работа этой секции привели к выдающимся достижениям в области охраны здоровья в Хэнфорде и в других местах.

9.1. Возможность изготовления атомной бомбы из U-235 была установлена до того. как был открыт плутоний. Так как давно было ясно, что разделение изотопов урана явится прямым и главным этапом в производстве такой бомбы, то методы разделения изотопов урана были предметом тщательных исследований в течение по меньшей мере шести лет. В то же время, как только было установлено, что выделение дейтерия тоже имеет большое значение, стал изучаться вопрос о разделении не только изотопов урана, но и изотопов водорода. В настоящей главе рассматриваются общие проблемы разделения изотопов. Последующие главы представляют собой подробное описание отдельных процессов.

9.2. По определению, изотопы элемента отличаются своими массами, но не химическими свойствами. Точнее говоря, хотя массы ядер изотопов и их строение различны, заряды ядер одинаковы, и поэтому наружные электронные оболочки практически тождественны. Таким образом, для большинства практических целей изотопы какого-либо элемента можно разделить только при помощи процессов, зависящих от массы ядра.

9.3. Хорошо известно, что молекулы газа или жидкости находятся в непрерывном движении и что их средняя кинетическая энергия зависит только от температуры и не зависит от химических свойств молекулы. Таким образом в газе, состоящем из смеси двух изотопов, средняя кинетическая энергия легких и тяжелых молекул будет одинакова. Так как кинетическая энергия молекулы равна 1/2 mv2, где m — масса и v — скорость молекулы, то очевидно, что, в среднем, скорость более легкой молекулы должна быть больше скорости более тяжелой. Поэтому, по крайней мере в принципе, любой процесс, зависящий от средней скорости молекул, можно использовать для разделения изотопов. К сожалению, средняя скорость обратно пропорциональна корню квадратному из массы, так что для газообразных соединений изотопов урана это различие очень мало. К тому же, хотя средние скорости различаются, интервалы скоростей в значительной мере перекрываются. Так, в случае газообразного шестифтористого урана более 49 % легких молекул имеют такие же малые скорости, как и 50 % тяжелых молекул.

9.4. Очевидно, нет практически осуществимого способа приложения механических сил непосредственно к отдельным молекулам; их нельзя толкать палкой или тянуть веревкой. Однако, на них воздействуют гравитационные или, если молекулы ионизованы, электрические и магнитные поля. Гравитационные силы пропорциональны массе. В очень высоком вакууме атомы U-235 и U-238 будут падать с одинаковым ускорением, но так же, как перо и камень падают с разными скоростями в воздухе, где имеются силы трения, препятствующие движению, возможны условия, при которых сочетание гравитационных и противодействующих им внутримолекулярных сил заставит тяжелые атомы двигаться отлично от легких. Электрическими и магнитными полями легче управлять, чем гравитационными или «псевдогравитационными» (т. е. полями центробежных сил) и они весьма эффективны в разделении ионов различной массы.

9.5. Кроме гравитационных или электромагнитных сил, существуют внутриатомные и внутримолекулярные силы. Это силы взаимодействия между молекулами, и ими определяются скорости химических реакций, процессов испарения и т. д. Вообще говоря, такие силы зависят от внешних электронов молекул, а не от массы ядра. Однако, там, где силы взаимодействия между отдельными атомами или молекулами приводят к образованию новых молекул, влияние массы (обычно очень малое) сказывается.

В соответствии с законами квантовой механики, уровни энергии молекул несколько меняются, причем для разных изотопов по разному. Это, как мы увидим, вызывает некоторые изменения в поведении двух изотопов в определенных химических реакциях, хотя различие в поведении значительно меньше обычного различия в химическом поведении разных элементов.

9.6. Таким образом, главными факторами, которые следует иметь в виду при выборе процесса разделения, являются: равенство средней тепловой кинетической энергии молекул при данной температуре; гравитационные или центробежные эффекты, пропорциональные массе молекул; электрические или магнитные силы, влияющие на ионизованные молекулы, и внутриатомные или внутримолекулярные силы. В некоторых процессах разделения изотопов используется только один какой-нибудь из этих факторов, и общая степень разделения может быть предсказана. В других процессах разделения несколько этих факторов встречаются одновременно, так что такое предсказание становится затруднительным.

9.7. Раньше, чем приступить к детальному рассмотрению отдельных процессов разделения изотопов, мы выясним, какие общие требования предъявляются к этому процессу. Главные критерии для суждения о процессе разделения изотопов описываются нами ниже.

9.8. Коэффициент разделения, или как его иногда называют, коэффициент обогащения какого-либо разделительного процесса, это отношение относительной концентрации выделяемого изотопа после обогащения к его относительной концентрации в исходном продукте. Точнее, если до разделения числа атомов изотопов с массами m1 и m2 равны, соответственно, n 1и n 2(на 1 г смеси изотопов), а после разделения соответствующие числа равны n' 1и n' 2, то коэффициент разделения равен