Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

10.8. Из газа, который прошел через перегородку любой данной ступени, только половина проходит через перегородку следующей, высшей ступени. Другая половина возвращается на предыдущую ступень. Таким образом, большая часть вещества циркулирует много раз, прежде чем, в конечном итоге, выйдет из каскада. Подсчет показывает, что для промышленной установки по разделению урана может оказаться необходимым пропустить через перегородки первой ступени объем газа в 10 000 раз больший объема газа, выходящего из последней ступени каскада (т. е. в виде окончательного продукта U 235F6). Соответствующие значения для высших ступеней быстро падают вследствие уменьшения количества U 238F6, который уносится в отвал.

10.9. Ко времени реорганизации Проекта атомной бомбы в декабре 1941 г. теория разделения изотопов посредством газовой диффузии была хорошо разработана. Поэтому можно было сформулировать технические проблемы, с которыми придется встретиться при постройке разделительной установки большого масштаба. Решение о размерах такой установки и о том, где ее строить, было вынесено только зимой 1942-43 г.г., т. е. примерно в то же самое время, когда были приняты решения о заводах для производства плутония.

10.10. Основной целью промышленной газовой диффузионной установки являлось производство урана, содержащего примерно в 10 раз больше U 235, чем в естественном уране, в количестве порядка нескольких граммов в сутки. Однако, было несомненно, что установка должна была быть достаточно гибкой и позволять производить, если потребуется, значительные изменения как в степени обогащения, так и в выходе конечного продукта.

10.11. В качестве «рабочего газа», который может быть пригоден для использования в разделительной установке, был упомянут шестифтористый уран. Немаловажным его преимуществом является то, что фтор имеет только один изотоп, вследствие чего все молекулы UF 6данного изотопа урана имеют одинаковую массу. Это вещество высоко реактивно и при комнатной температуре и атмосферном давлении является твердым телом. Поэтому было срочно предпринято изучение других газообразных соединений урана. Для того, чтобы застраховать себя от неудач при этих поисках различных других, заменяющих UF 6газов, необходимо было продолжать работу по шестифтористому урану — разрабатывать методы производства и схемы циркуляции этого газа.

10.12. Число ступеней в главном каскаде установки зависит только от желаемой степени обогащения и величины полного обогащения на ступень, достижимого с реально осуществимыми перегородками. По некоторым оценкам, требовалось несколько тысяч ступеней. Предполагалась также постройка специального регенеративного каскада на несколько сот ступеней; количество ступеней в нем зависит от того, сколько неотделенного U 235может быть допущено из экономических соображений в отвал.

10.13. Мы видели, что полное количество газа, которое должно диффундировать через перегородку, очень велико по сравнению с количеством отбираемого конечного продукта. Скорость, с которой газ диффундирует через единицу площади перегородки, зависит от разности давлений по обе стороны перегородки и от ее пористости. Даже при допущении атмосферного давления по одну сторону и полного вакуума по другую и при наилучших достижимых значениях пористости, установка большого масштаба, как показывают расчеты, требует перегородок общей площадью во много акров.

10.14. При атмосферном давлении средний свободный пробег молекул имеет порядок десятитысячной доли миллиметра или десятой доли микрона. Чтобы обеспечить истинный «диффузионный» поток газа, диаметр бесчисленного множества отверстий в перегородке должен быть меньше одной десятой среднего свободного пробега. Следовательно, материал перегородки должен иметь миллионы отверстий диаметра меньшего или равного 0,01 микрона (4*10-7 дюйма) и почти не содержать отверстий с диаметром, превышающим эту величину. Отверстия не должны увеличиваться или закупориваться в результате прямой коррозии или пыли, возникающей при коррозии где-нибудь в системе. Перегородка должна быть способна противостоять «напору» в одну атмосферу. Перегородка должна легко изготовляться для того, чтобы можно было производить ее в больших количествах и однородной по качеству, К январю 1942 г. был сделан в небольших количествах и испытан на коэффициент разделения и пористость ряд различных типов перегородок. Некоторые казались очень обещающими, но ни одна перегородка не подвергалась таким испытаниям, которые могли бы установить ее пригодность для производства в больших масштабах и для промышленного использования.

10.15. Схема разделительной установки такова, что в любой ступени приблизительно половина поступающего вещества проходит через перегородку к следующей высшей ступени, в то время как другая половина возвращается обратно в предыдущую ступень. Продиффундировавшая половина имеет низкое давление и должна быть доведена до высокого давления перед подачей в следующую ступень. Даже непродиффундировавшая часть выходит при несколько более низком давлении, чем при входе, и не может быть подана обратно на низшую ступень без подкачивания. Таким образом, циркуляция всего количества газа в ступени (включая дважды количество, которое проходит через перегородку) должна быть осуществлена при помощи насосов.

10.16. Так как поток газа сквозь ступень значительно меняется с номером ступени в каскаде, количество и размеры насосов также сильно изменяются от ступени к ступени. Тип и производительность насоса, требуемого для данной ступени, зависит не только от веса подаваемого газа, но и от требуемого напора. Сделанные к этому времени расчеты принимали давление на входе в одну атмосферу и на выходе (т. е. со стороны низкого давления перегородки) в 0,1 атмосферы. Было подсчитано, что для установки требуются тысячи насосов мощностью в тысячи киловатт. Так как газ неизбежно нагревается при сжатии, то очевидно необходимо предусмотреть систему охлаждения. К началу 1942 г. было проведено значительное количество предварительной работы по насосам. Несмотря на сложность уплотнения валов, представлялось приемлемым применение центробежных насосов, но в дальнейших экспериментальных работах проектировалось применение совершенно герметичных насосов различных типов.

10.17. Было ясно, что система циркуляции в целом, заключающая в себе насосы, перегородки, трубопроводы и клапаны, должна быть уплотнена на вакуум. Смазочные вещества или уплотняющие среды, необходимые для насосов, не должны реагировать с рабочим газом, не должен реагировать с рабочим газом также ни один из применяемых в системе материалов. Взаимодействие с рабочим газом (коррозия) будет приводить не только к засорению перегородок и к различным механическим дефектам, но и к поглощению (т. е. фактической потере) частично обогащенного урана.