Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

10.1. В феврале 1940 г. небольшие количества концентрированных фракций трех изотопов урана с массовыми числами 234, 235 и 238 были получены А. О. Ниром при помощи масс-спектрометра и переданы Э. Т. Буту, А. фон-Гроссе и Дж. Р. Данингу для исследования при помощи циклотрона Колумбийского университета. Эти ученые вскоре показали, что именно изотоп U-235 способен делиться под действием тепловых нейтронов. Естественно, поэтому, что эта руководимая Данингом группа стала более, чем когда-либо, работать над разделением изотопов урана в больших масштабах.

10.2. Метод диффузии, по-видимому, впервые был серьезно рассмотрен Данингом в записке к Дж. Б. Пеграму, которая была переслана Л.Дж. Бригсу осенью 1940 г. Эта записка подводила итоги предварительным исследованиям, которые были проведены Э. Т. Бутом, А. фон Гроссе и Дж. Р. Данингом. Работа была ускорена в 1941 г. финансовой помощью, обусловленной контрактом, которую Г. К. Юри получил от Военно-морского флота для изучения разделения изотопов, главным образом методом центрифугирования. В течение этого периода Ф.Дж. Слэк (Университет Вандербильта) и В. Ф. Либи (Калифорнийский университет) присоединились к группе.

Контракт ОСРД (OEMsr-106), который был заключен ранее специально для изучения диффузии, вошел в силу 1 июля 1941 г. сроком на 1 год. Работа во все увеличивающихся масштабах продолжалась по ряду контрактов с ОСРД и с Армией до конца весны 1945 г. До мая 1943 г. Данинг непосредственно отвечал за эту работу. Юри был ответственным за статистические методы разделения изотопов вообще. С этого времени до февраля 1945 г. Юри был прямым руководителем той части работ по диффузии, которая проводилась в Колумбийском университете; Данинг оставался руководителем одного из основных разделов этой работы.

1 марта 1945 г. лаборатория была принята от Колумбийского университета фирмой Carbide and Carbon Chemical Corporation. В начале 1942 г. по предложению Э. В. Мерфри для разработки проектов установки производственного масштаба, оборудования для диффузионных заводов и, возможно, постройки завода была привлечена фирма M.W. Kellog Co. Чтобы довести до конца все предприятие, была образована новая, дочерняя компания, названная Kellex Corporation. В январе 1943 г. ответственность за работу завода была передана фирме Carbide and Carbon Chemical Corporation.

10.3. Как отмечалось в главе IV, в конце 1941 г. была доказана, в принципе, возможность разделения шестифтористого урана посредством одноступенчатой диффузионной установки с пористой перегородкой (например фильтром, изготовленным травлением тонкой фольги сплава цинк-серебро соляной кислотой). Большая работа была проведена по перегородкам и насосам, но ответ, вполне удовлетворительный для работы в производственном масштабе, найден не был. Наряду с этим, К. Когеном был начат ряд теоретических исследований, на которые мы уже ссылались, относительно того, какой путь использования процесса диффузии является наилучшим, т. е. сколько ступеней может потребоваться, какова общая потребная площадь перегородок, какой объем газа должен циркулировать и т. д. Теоретические исследования и разработка схемы процесса М. Бенедиктом намного увеличили наши сведения в этой области и послужили основой для проектирования большого завода.

10.4. Информация, полученная из Англии, и визит английской группы зимой 1941–1942 г. осветили ряд пунктов. В это время англичане сами проектировали диффузионную разделительную установку, так что дискуссия с Ф. Симоном, Р. Пайерлсом и другими была особенно ценной.

10.5. Как было указано в прошлой главе, скорость диффузии газа через идеальную пористую перегородку обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярного веса. Так, если газ, состоящий из двух изотопов, начинает диффундировать через перегородку в эвакуированный сосуд, то более легкий изотоп (с молекулярным весом M 1) диффундирует быстрее, чем более тяжелый (с молекулярным весом M 2). В результате (в течение, по крайней мере, короткого промежутка времени) относительная концентрация более легкого изотопа за перегородкой становится выше, чем до перегородки. Но, если позволить процессу неограниченно продолжаться, устанавливается равновесие, к концентрации по обеим сторонам перегородки выравниваются. Даже в случае, если газ, который прошел через перегородку, откачивается насосом, относительное количество тяжелого изотопа, проходящего через перегородку, будет возрастать, так как более легкий изотоп в исходном газе (до перегородки) израсходован в начале процесса диффузии.

10.6. Для отдельного цикла диффузии увеличение относительной концентрации легкого изотопа в диффундирующем газе, по сравнению с подводимым газом, может быть выражено через коэффициент разделения r, или через коэффициент обогащения r-1, которые были определены в параграфе 9.8 предыдущей главы. Можно вывести довольно простое уравнение для зависимости r-1 от молекулярного веса и продиффундировавшей доли исходного газа. Если эта доля очень мала, уравнение превращается в r= α («идеальный коэффициент разделения» параграфа 9.14). Если эта продиффундировавшая доля имеет заметную величину, уравнение дает ожидаемое уменьшение разделения. Например, если количество продиффундировавшего газа равно половине подаваемого, то r-1 = 0,69( α -1) или, для шестифтористого урана, r=1,003, вместо r=1,0043 для случая, когда продиффундировала очень небольшая часть исходного газа.

10.7. Для того, чтобы разделить изотопы урана, необходимо применять много последовательных ступеней диффузии (каскад), так как α =1,0043 для U 235F 6и U 238F 6(возможный газ для разделения урана). Исследования Когена и др. показали, что наилучшей гидравлической схемой для последовательных ступеней является такая, при которой половина газа, нагнетаемого в каждую ступень, диффундирует через перегородку, а другая (обедненная) половина направляется на вход предыдущей ступени. Для такого устройства, как мы видели, идеальный коэффициент разделения между входом и выходом одной ступени равен 0,69( α -1). Это число часто называют ε — «полным обогащением на ступень». Для шестифтористого урана теоретическое значение ε =0,003, но на практике оно несколько меньше в результате «обратной диффузии», неполного смешения на стороне высокого давления и несовершенства перегородки. Первые опыты по разделению шестифтористого урана (произведенные Е. Т. Бутом, Г. К. Пэкстоном и К. Б. Слэйдом) дали в результате значение ε =0,0014. Если желательно получить U 235F 699 %-ной чистоты и если используется каскад, в котором каждая ступень имеет нормальный коэффициент обогащения, то потребуется приблизительно 4000 ступеней.