Чикаго Пайл-1

Чикаго Пайл-1
Концепция реактора	Исследовательский реактор
Спроектировано и построено	Металлургическая лаборатория
Оперативный	1942 по 1943 ( 1943 )
Статус	Демонтирован
Расположение	Чикаго , Иллинойс , США
Основные параметры активной зоны реактора
Топливо ( делящийся материал )	Природный уран
Состояние топлива	Твердые (пеллеты)
Энергетический спектр нейтронов	Медленный
Основной метод контроля	Стержни управления
Основной модератор	Ядерный графит (кирпичи)
Первичная охлаждающая жидкость	Никто
Использование реактора
Основное использование	Экспериментальный
Критичность (дата)	2 декабря 1942 г.
Оператор/владелец	Чикагский университет / Манхэттенский проект
Примечания	Первый в мире искусственный ядерный реактор
Место первой самоподдерживающейся ядерной реакции
Национальный реестр исторических мест США
Национальный исторический памятник США
Чикаго Достопримечательность
Координаты	41 ° 47'33 "N 87 ° 36'4" W
Построен	1942
Номер ссылки NRHP .	66000314
Значимые даты
Добавлено в НРХП	15 октября 1966 г. (66000314)
Назначен НХЛ	18 февраля 1965 г.
Обозначенный CL	27 октября 1971 г.

Чикаго Pile-1 ( CP-1 ) был первым в мире искусственным ядерным реактором . в CP-1 была инициирована первая искусственная самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция 2 декабря 1942 года в ходе эксперимента под руководством Энрико Ферми . Секретная разработка реактора стала первым крупным техническим достижением Манхэттенского проекта – усилий союзников по созданию ядерного оружия во время Второй мировой войны . Разработанный Металлургической лабораторией , Чикагского университета CP-1 был построен под западными смотровыми площадками оригинального месторождения Стэгг . Хотя гражданские и военные руководители проекта опасались возможности катастрофической неконтролируемой реакции, они поверили расчетам Ферми по безопасности и решили, что могут провести эксперимент в густонаселенном районе. Ферми описал реактор как «грубую груду черных кирпичей и деревянных брусьев».

После серии попыток успешный реактор был собран в ноябре 1942 года командой из примерно 30 человек, в которую, помимо Ферми, входили учёные Лео Сцилард (ранее сформулировавший идею ) цепной реакции неделения , Леона Вудс , Герберт Л. Андерсон , Уолтер Зинн , Мартин Д. Уитакер и Джордж Вейл . В реакторе использовался природный уран. Для достижения критичности требовалось очень большое количество материала, а также графит, используемый в качестве замедлителя нейтронов . Реактор содержал 45 000 блоков сверхчистого графита весом 360 коротких тонн (330 тонн ) и питался 5,4 короткими тоннами (4,9 тонны) металлического урана и 45 короткими тоннами (41 тонной) оксида урана . В отличие от большинства последующих ядерных реакторов, он не имел радиационной защиты или системы охлаждения, поскольку работал на очень низкой мощности – около половины ватта.

Погоня за реактором была вызвана опасениями, что нацистская Германия имеет существенное научное преимущество. Успех Чикагской электростанции-1 в создании цепной реакции стал первой яркой демонстрацией возможности военного использования ядерной энергии союзниками, а также реальности опасности того, что нацистская Германия сможет добиться успеха в производстве ядерного оружия. Раньше оценки критической массы представляли собой грубые расчеты, что приводило к неопределенности порядка величины в отношении размера гипотетической бомбы. Успешное использование графита в качестве замедлителя проложило путь к прогрессу в усилиях союзников, тогда как немецкая программа застопорилась отчасти из-за убеждения, что дефицитную и дорогую тяжелую воду для этой цели придется использовать . Немцы не учли важность примесей бора и кадмия в образцах графита, на которых они проводили испытания на пригодность его использования в качестве замедлителя, в то время как Лео Сцилард и Энрико Ферми расспросили поставщиков о наиболее распространенных загрязнениях графита после первого проваленный тест. Следовательно, они гарантировали, что следующий тест будет проведен с графитом, полностью лишенным их содержания. Как оказалось, и бор, и кадмий были сильными нейтронные яды .

В 1943 году CP-1 был перенесен в Зону А , исследовательский центр военного времени недалеко от Чикаго, где он был реконфигурирован в Чикаго Pile-2 (CP-2). Там он эксплуатировался для исследований до 1954 года, когда его разобрали и захоронили. Трибуны на стадионе Стэгг Филд были снесены в августе 1957 года, и теперь мемориальный четырехугольник отмечает место проведения эксперимента, которое теперь является национальным историческим памятником и достопримечательностью Чикаго .

Происхождение

Идея химической цепной реакции была впервые предложена в 1913 году немецким химиком Максом Боденштейном для ситуации, в которой две молекулы реагируют с образованием не только конечных продуктов реакции, но и некоторых нестабильных молекул, которые могут в дальнейшем вступать в реакцию с исходными веществами, вызывая больше реагировать. Концепция цепной ядерной реакции была впервые выдвинута венгерским ученым Лео Силардом 12 сентября 1933 года. Сцилард понял, что если в результате ядерной реакции образуются нейтроны или динейтроны , которые затем вызывают дальнейшие ядерные реакции, этот процесс может быть самовоспроизводящимся. Сцилард предложил использовать смеси более легких известных изотопов, которые производят нейтроны в больших количествах, а также рассматривал возможность использования урана в качестве топлива. В следующем году он подал патент на свою идею простого ядерного реактора. Открытие ядерного деления немецкими химиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом в 1938 году. и его теоретическое объяснение (и наименование) их соавторами Лизой Мейтнер и Отто Фришем , открыл возможность создания цепной ядерной реакции с ураном, но первоначальные эксперименты оказались неудачными.

Чтобы произошла цепная реакция, делящиеся атомы урана должны были испустить дополнительные нейтроны, чтобы реакция продолжалась. В Колумбийском университете в Нью-Йорке итальянский физик Энрико Ферми сотрудничал с американцами Джоном Даннингом , Гербертом Л. Андерсоном , Юджином Т. Бутом , Дж. Норрисом Глазо и Фрэнсисом Г. Слэком , чтобы провести первый эксперимент по ядерному делению в Соединенных Штатах 25 мая. Январь 1939 года. Последующие работы подтвердили, что быстрые нейтроны действительно образуются в результате деления. Сцилард получил разрешение от главы физического факультета Колумбийского университета Джорджа Б. Пеграма использовать лабораторию в течение трех месяцев и убедил Уолтера Зинна стать его сотрудником. Они провели простой эксперимент на седьмом этаже Пупин-холла в Колумбии, используя радий-бериллиевый источник для бомбардировки урана нейтронами. Они обнаружили значительное размножение нейтронов в природном уране, доказав, что цепная реакция возможна.

потребуются огромные количества урана Ферми и Сцилард все еще считали, что для создания атомной бомбы , и поэтому сосредоточились на создании управляемой цепной реакции. Ферми призвал Альфреда О.К. Нира разделить изотопы урана для определения делящегося компонента, и 29 февраля 1940 года Ниер выделил первый образец урана-235 , который после отправки по почте в Даннинг в Колумбии был подтвержден как изолированный делящийся материал. . Работая в Риме, Ферми обнаружил, что столкновения между нейтронами и замедлителями нейтронов могут замедлять нейтроны и тем самым повышать вероятность их захвата ядрами урана, вызывая деление урана. Сцилард предложил Ферми использовать в качестве замедлителя углерод в форме графита . В качестве запасного плана он рассматривал тяжелую воду . Он содержал дейтерий , который не поглощал нейтроны, как обычный водород, и был лучшим замедлителем нейтронов, чем углерод; но тяжелая вода была дорогой и трудной в производстве, и ее могло потребоваться несколько тонн. Ферми подсчитал, что делящееся ядро ​​урана производит в среднем 1,73 нейтрона. Этого было достаточно, но требовалось тщательное проектирование, чтобы минимизировать потери. (Сегодня известно, что среднее число нейтронов, испускаемых одним делящимся ядром урана-235, составляет около 2,4).

По оценкам Сциларда, ему понадобится около 50 коротких тонн (45 т) графита и 5 коротких тонн (4,5 т) урана. В декабре 1940 года Ферми и Сцилард встретились с Гербертом Г. Макферсоном и Виктором К. Хамистером в National Carbon, чтобы обсудить возможное существование примесей в графите и приобретение графита такой чистоты, который никогда не производился коммерчески. Химическая компания National Carbon предприняла необычный для того времени шаг, наняв физика Макферсона для исследования угольных дуговых ламп, основного коммерческого применения графита в то время. Благодаря своей работе по изучению спектроскопии углеродной дуги Макферсон знал, что основным примесем является бор как из-за его концентрации, так и из-за его способности поглощать нейтроны. подтверждая подозрения Сциларда. Что еще более важно, Макферсон и Хамистер считали, что можно разработать методы производства графита достаточной чистоты. Если бы Ферми и Сцилард не проконсультировались с Макферсоном и Хамистером, они могли бы прийти к ошибочному выводу, как это сделали немцы, что графит непригоден для использования в качестве замедлителя нейтронов.

В течение следующих двух лет Макферсон, Хамистер и Лаухлин М. Карри разработали методы термической очистки для крупномасштабного производства графита с низким содержанием бора. Полученный продукт был обозначен компанией National Carbon как графит AGOT (« Обычная температура графита Ачесона »). Графит AGOT с сечением поглощения нейтронов 4,97 мбарн считается первым настоящим графитом ядерного качества . К ноябрю 1942 года компания National Carbon отправила 255 коротких тонн (231 т) графита AGOT в Чикагский университет. где он стал основным источником графита, который будет использоваться при строительстве Чикагской сваи-1.

Государственная поддержка

Сцилард подготовил конфиденциальное письмо президенту Франклину Д. Рузвельту , предупреждая о проекте немецкого ядерного оружия , объясняя возможность создания ядерного оружия и поощряя разработку программы, которая могла бы привести к его созданию. С помощью Юджина Вигнера и Эдварда Теллера он подошел к своему старому другу и соратнику Альберту Эйнштейну в августе 1939 года и убедил его подписать письмо, что придало его престиж этому предложению. Письмо Эйнштейна-Сциларда привело к тому, что правительство США начало исследования ядерного деления. Консультативный комитет по урану был сформирован под руководством Лаймана Дж. Бриггса , ученого и директора Национального бюро стандартов . На его первом заседании 21 октября 1939 года присутствовали Сцилард, Теллер и Вигнер. Ученые убедили армию и флот предоставить Сциларду 6000 долларов на закупку материалов для экспериментов, в частности, графита.

Пупин-холл в Колумбийском университете

В апреле 1941 года Национальный комитет оборонных исследований (NDRC) создал специальный проект, возглавляемый Артуром Комптоном , лауреатом Нобелевской премии , профессором физики Чикагского университета , для доклада об урановой программе. Отчет Комптона, представленный в мае 1941 года, предвидел перспективы разработки радиологического оружия , ядерных силовых установок для кораблей и ядерного оружия с использованием урана-235 или недавно открытого плутония . В октябре он написал еще один отчет о практичности атомной бомбы. Для этого отчета он работал с Ферми над расчетами критической массы урана-235. Он также обсудил перспективы обогащения урана с Гарольдом Юри .

Нильс Бор и Джон Уиллер выдвинули теорию, что тяжелые изотопы с нечетными атомными числами расщепляются массовыми . Если так, то, плутоний-239 . скорее всего, это был В мае 1941 года Эмилио Сегре и Гленн Сиборг произвели 28 мкг плутония-239 на 60-дюймовом (150 см) циклотроне Калифорнийского университета и обнаружили, что его тепловых нейтронов сечение захвата в 1,7 раза больше, чем у урана-235. В то время на циклотронах производились лишь такие незначительные количества плутония-239, и таким способом было невозможно произвести достаточно большое количество. Комптон обсудил с Вигнером, как можно производить плутоний в ядерном реакторе , а также с Робертом Сербером о том, как этот плутоний можно отделить от урана. В его отчете, представленном в ноябре, говорилось, что создание бомбы возможно.

В окончательном проекте отчета Комптона за ноябрь 1941 года плутоний не упоминался, но после обсуждения последних исследований с Эрнестом Лоуренсом Комптон пришел к убеждению, что создание плутониевой бомбы также возможно. В декабре Комптон был назначен ответственным за плутониевый проект. Его целями было создание реакторов для преобразования урана в плутоний, поиск способов химического отделения плутония от урана, а также разработка и создание атомной бомбы. Комптону пришлось решать, какой из различных типов реакторов следует разработать ученым, хотя успешный реактор еще не был построен. Он предложил план достижения управляемой цепной ядерной реакции к январю 1943 года и создания атомной бомбы к январю 1945 года.

Развитие

В четвертую годовщину успеха команды, 2 декабря 1946 года, члены команды CP-1 собрались в Чикагском университете. Слева направо, задний ряд: Норман Хилберри , Сэмюэл Эллисон , Томас Брилл, Роберт Ноблс, Уоррен Найер, Марвин Уилкенинг. Средний ряд: Гарольд Эгнью , Уильям Штурм, Гарольд Лихтенбергер , Леона Вудс , Лео Сцилард . Первый ряд: Энрико Ферми , Уолтер Зинн , Альберт Ваттенберг , Герберт Л. Андерсон .

В ядерном реакторе критичность достигается, когда скорость производства нейтронов равна скорости потерь нейтронов, включая как поглощение нейтронов, так и утечку нейтронов. Когда атом урана-235 делится, он выделяет в среднем 2,4 нейтрона. В простейшем случае неотражающегося однородного сферического реактора критический радиус был рассчитан примерно следующим образом:

$R_{crit}\approx {\frac {\pi M}{\sqrt {k-1}}}$,

где M — среднее расстояние, которое проходит нейтрон до того, как он будет поглощен, а k — средний коэффициент размножения нейтронов . Нейтроны в последующих реакциях будут усиливаться в k раз , второе поколение событий деления будет производить k ² , третий к ³ и так далее. Для того чтобы самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция произошла , k должно быть как минимум на 3 или 4 процента больше 1. Другими словами, k должно быть больше 1, не пересекая быстрого критического порога, который привел бы к быстрому экспоненциальному развитию реакции. увеличение числа событий деления.

Ферми окрестил свой аппарат «кучей». Эмилио Сегре позже вспоминал:

Некоторое время я думал, что этот термин использовался для обозначения источника ядерной энергии по аналогии с использованием Вольтой итальянского термина « pila» для обозначения его собственного великого изобретения источника электрической энергии. Меня разочаровал сам Ферми, который сказал мне, что он просто использовал обычное английское слово « куча » как синоним кучи . К моему удивлению, Ферми, похоже, никогда не задумывался о взаимосвязи между своей кучей и кучей Вольты.

Еще один грант, на этот раз в размере 40 000 долларов, был получен от Уранового комитета S-1 на закупку дополнительных материалов, и в августе 1941 года Ферми начал планировать строительство подкритической сборки, чтобы проверить на меньшей конструкции, будет ли работать более крупная. . Так называемая экспоненциальная свая, которую он предложил построить, имела длину 8 футов (2,4 м), ширину 8 футов (2,4 м) и высоту 11 футов (3,4 м). Он был слишком большим, чтобы поместиться в физических лабораториях Пупина. Ферми вспоминал:

Мы пошли к декану Пеграму, который тогда был человеком, который мог творить магию в университете, и объяснили ему, что нам нужна большая комната. Он обследовал кампус, и мы пошли с ним по темным коридорам, под различными трубами отопления и так далее, чтобы посетить возможные места для этого эксперимента, и в конце концов в Шермерхорн-холле была обнаружена большая комната .

Одна из как минимум 29 экспериментальных свай, построенных в 1942 году под западными трибунами стадиона Стэгг Филд. Каждый проверенный элемент включен в окончательную конструкцию.

Куча была построена в сентябре 1941 года из графитовых блоков размером 4 на 4 на 12 дюймов (10 на 10 на 30 см) и жестяных банок с оксидом урана. Банки представляли собой кубы размером 8 на 8 на 8 дюймов (20 на 20 на 20 см). Каждый из них, наполненный оксидом урана, весил около 60 фунтов (27 кг). Всего было 288 банок, каждая из которых была окружена графитовыми блоками, так что все вместе образовывало кубическую решетчатую структуру. радий -бериллиевый источник нейтронов Внизу располагался . Оксид урана нагревали для удаления влаги и еще горячим упаковывали в банки на встряхивающем столе. Затем банки запаивали. В качестве рабочей силы Пеграм воспользовался услугами футбольной команды Колумбии. В то время у футболистов было принято подрабатывать в университете. Они могли легко манипулировать тяжелыми банками. Конечным результатом стал разочаровывающий коэффициент k , равный 0,87.

Комптон чувствовал, что наличие команд в Колумбийском университете, Принстонском университете , Чикагском университете и Калифорнийском университете приводит к слишком большому дублированию и недостаточному сотрудничеству, и он решил сконцентрировать работу в одном месте. Никто не хотел переезжать, и все выступали за свое место. В январе 1942 года, вскоре после того, как Соединенные Штаты вступили во Вторую мировую войну, Комптон определился с местом своего проживания — Чикагским университетом, где, как он знал, он имел безоговорочную поддержку администрации университета. Чикаго также имел центральное расположение, а ученые, техники и оборудование были более доступны на Среднем Западе , где военные действия еще не забрали их. Напротив, Колумбийский университет занимался обогащением урана под руководством Гарольда Юри и Джона Даннинга и не решался добавить третий секретный проект.

Перед отъездом в Чикаго команда Ферми предприняла последнюю попытку построить действующую сваю в Колумбии. Поскольку банки поглотили нейтроны, от них отказались. Вместо этого оксид урана, нагретый до 250 °C (480 °F) для высушивания, вдавливался в цилиндрические отверстия длиной 3 дюйма (7,6 см) и диаметром 3 дюйма (7,6 см), просверленные в графите. Затем всю кучу консервировали, припаивая вокруг нее листовой металл, а содержимое нагревали выше точки кипения воды для удаления влаги. Результатом стало значение k 0,918.

Выбор места

Плотник Август Кнут в процессе соединения деревянного бруска для деревянного каркаса.

В Чикаго Сэмюэл К. Эллисон нашел подходящее место длиной 60 футов (18 м), шириной 30 футов (9,1 м) и высотой 26 футов (7,9 м), расположенное немного ниже уровня земли, в пространстве под трибунами Стэгга. поле Первоначально было построено как площадка для игры в ракетки . Стэгг-Филд практически не использовался с тех пор, как Чикагский университет отказался от игры в американский футбол в 1939 году. но корты с ракетками под Западными трибунами по-прежнему использовались для игры в сквош и гандбол . Леона Вудс и Энтони Л. Туркевич играли там в сквош в 1940 году. Поскольку оно предназначалось для напряженных тренировок, это место было неотапливаемым, а зимой было очень холодно. На соседней Северной трибуне на первом этаже была пара ледовых катков, которые, хотя и не охлаждались, редко таяли зимой. Эллисон использовал площадку для игры в ракетки, чтобы построить экспериментальную сваю высотой 7 футов (2,1 м) до прибытия группы Ферми в 1942 году.

Инженерный корпус армии США взял на себя контроль над программой создания ядерного оружия в июне 1942 года, а Металлургическая лаборатория Комптона стала частью так называемого Манхэттенского проекта . Бригадный генерал Лесли Р. Гроувс-младший стал директором Манхэттенского проекта 23 сентября 1942 года. 5 октября он впервые посетил Металлургическую лабораторию. В период с 15 сентября по 15 ноября 1942 года группы под командованием Герберта Андерсона и Уолтера Зинна построили 16 экспериментальных свай под трибунами Стэгг Филд.

Ферми спроектировал новую сваю, которая должна была иметь сферическую форму, чтобы максимизировать значение k , которое, по прогнозам, составляло около 1,04, тем самым достигая критичности. Леоне Вудс было поручено построить на трифториде бора, детекторы нейтронов как только она защитит докторскую диссертацию. Она также помогла Андерсону найти необходимое большое количество пиломатериалов размером 4 на 6 дюймов (10 на 15 см) на складах пиломатериалов в южной части Чикаго . высокой чистоты Прибыли партии графита высокой чистоты - , в основном от National Carbon, а диоксида урана от Маллинкродта в Сент-Луисе, который теперь производил 30 коротких тонн (27 т) в месяц. Металлический уран также начал поступать в больших количествах — продукт новых технологий.

25 июня армия и Управление научных исследований и разработок (OSRD) выбрали место в Аргоннском лесу недалеко от Чикаго для пилотного завода по производству плутония; это стало известно как « Зона А ». 1025 акров (415 га) были арендованы у округа Кук в августе. но к сентябрю стало очевидно, что предлагаемые мощности будут слишком обширными для этого объекта, и было решено построить пилотную установку в другом месте. Подкритические котлы представляли небольшую опасность, но Гроувс считал, что было бы разумно разместить критическую котел — полностью функциональный ядерный реактор — в более отдаленном месте. В Аргонне было начато строительство здания для размещения экспериментальной установки Ферми, завершение которого запланировано на 20 октября. Из-за производственных споров строительство отстало от графика, и стало ясно, что материалы для новой сваи Ферми будут под рукой до того, как новая конструкция будет завершена. В начале ноября Ферми приехал в Комптон с предложением построить экспериментальную сваю под трибунами Стэгг Филд.

Строящийся ЦП-1: 4-й слой

Риск строительства действующего реактора, работающего на критическом уровне, в населенном пункте был серьезной проблемой, поскольку существовала опасность катастрофического ядерного взрыва, который покроет один из крупнейших городских районов Соединенных Штатов радиоактивными продуктами деления. Но физика системы предполагала, что котел можно будет безопасно остановить даже в случае неконтролируемой реакции . Когда атом топлива подвергается делению, он высвобождает нейтроны, которые поражают другие атомы топлива в цепной реакции. Время между поглощением нейтрона и его делением измеряется в наносекундах. Сцилард отметил, что эта реакция оставляет после себя продукты деления , которые также могут выделять нейтроны, но делают это в течение гораздо более длительных периодов времени: от микросекунд до минут. В медленной реакции, такой как реакция в куче, где накапливаются продукты деления, на эти нейтроны приходится около трех процентов общего потока нейтронов .

Ферми утверждал, что, используя запаздывающие нейтроны и тщательно контролируя скорость реакции по мере увеличения мощности, котел может достичь критичности при скоростях деления, немного меньших, чем при цепной реакции, полагаясь исключительно на быстрые нейтроны из реакций деления. Поскольку скорость высвобождения этих нейтронов зависит от событий деления, произошедших некоторое время назад, между любыми скачками мощности и более поздним событием критичности существует задержка. На этот раз операторы получают свободу действий; если виден всплеск потока мгновенных нейтронов, у них есть несколько минут, прежде чем это вызовет неконтролируемую реакцию. Если в любой момент в течение этого периода будет введен поглотитель нейтронов или нейтронный поглотитель , реактор отключится. Следовательно, реакцией можно управлять с помощью электромеханических систем управления, таких как регулирующие стержни . Комптон считал, что этой задержки было достаточно, чтобы обеспечить критический запас прочности. и позволил Ферми построить Чикаго-Пайл-1 на Стэгг-Филд.

Позже Комптон объяснил это:

Как ответственный сотрудник Чикагского университета, согласно всем правилам организационного протокола, я должен был передать этот вопрос своему начальнику. Но это было бы несправедливо. Президент Хатчинс был не в состоянии сделать независимое суждение о связанных с этим опасностях. Если исходить из соображений благосостояния университета, единственным ответом, который он мог бы дать, было бы — нет. И этот ответ был бы неправильным.

Комптон проинформировал Гровса о своем решении на заседании Исполнительного комитета S-1 14 ноября. Хотя Гроувс «имел серьезные опасения по поводу мудрости предложения Комптона», он не вмешивался. Сообщается, что Джеймс Б. Конант , председатель NDRC, побелел. Но из-за срочности и уверенности в расчетах Ферми никто не возражал.

Строительство

Строящийся ЦП-1: 7-й слой

Чикагская свая-1 была заключена в воздушный шар, чтобы воздух внутри мог быть заменен углекислым газом . У Андерсона был темно-серый воздушный шар производства Goodyear Tire and Rubber Company . Воздушный шар кубической формы высотой 25 футов (7,6 м) был несколько необычным, но рейтинг приоритета ААА Манхэттенского проекта обеспечил быструю доставку без каких-либо вопросов. Чтобы доставить его на место, использовались блок и снасти : верхняя часть была прикреплена к потолку, а три стороны - к стенам. Оставшаяся сторона, обращенная к балкону, с которого Ферми руководил операцией, была свернута, как тент. На полу был нарисован круг, и утром 16 ноября 1942 года началась укладка графитовых блоков. Первый уложенный слой полностью состоял из графитовых блоков и не содержал урана. Слои без урана чередовались с двумя слоями, содержащими уран, так что уран заключался в графит. В отличие от более поздних реакторов, у него не было радиационной защиты или системы охлаждения, поскольку он предназначался для работы только на очень низкой мощности.

Работа велась двенадцатичасовыми сменами: дневную смену возглавлял Зинн, а ночную — Андерсон. В качестве рабочей силы они наняли тридцать выпускников средней школы, которые стремились заработать немного денег, прежде чем их призовут в армию. Они обработали 45 000 графитовых блоков, содержащих 19 000 кусков металлического урана и оксида урана. Графит поступал от производителей в виде брусков разной длины размером 4,25 на 4,25 дюйма (10,8 на 10,8 см). Их разрезали на отрезки стандартной длины по 16,5 дюймов (42 см), каждый весом 19 фунтов (8,6 кг). На токарном станке просверлили отверстия диаметром 3,25 дюйма (8,3 см) в блоках для стержней управления и урана. Гидравлический пресс использовался для придания формы оксиду урана в «псевдосферы», цилиндры с закругленными концами. Сверла приходилось затачивать после каждых 60 отверстий, то есть примерно раз в час. Графитовая пыль вскоре заполнила воздух и сделала пол скользким.

Другая группа под руководством Волни К. Уилсона отвечала за приборы. Они также изготовили стержни управления , которые представляли собой листы кадмия , прибитые к плоским деревянным полосам (кадмий был мощным поглотителем нейтронов), и линию аварийного отключения , манильскую веревку , которая при разрезании опускала стержень управления в кучу и останавливала реакцию. Ричард Фокс, который изготовил механизм управления стержнями для сваи, заметил, что ручное управление скоростью стержней, которым пользовался оператор, представляло собой просто переменный резистор , управляющий электродвигателем , который наматывал проволоку бельевой веревки на шкив, который также имел два прикреплены свинцовые грузики, обеспечивающие его отказоустойчивость и возврат в нулевое положение при отпускании.

Строящийся ЦП-1: 10-й слой

За смену укладывалось около двух слоев. Счетчик нейтронов трифторида бора Вудса был установлен в 15-м слое. В дальнейшем показания снимались в конце каждой смены. Ферми разделил квадрат радиуса котла на интенсивность радиоактивности, чтобы получить метрику, которая начинала обратный отсчет до единицы, когда котел приближался к критичности. На 15-м слое было 390; в 19-м было 320; в 25-м - 270, а к 36-му - только 149. Первоначальная конструкция была под сферическую сваю, но по ходу работ стало ясно, что в этом нет необходимости. начали поступать 6 коротких тонн (5,4 т) очень чистого металлического урана Новый графит был чище, и из проекта Эймса в Университете штата Айова . где Харли Вильгельм и его команда разработали новый процесс производства металлического урана. Ламповый завод Westinghouse поставил 3 коротких тонны (2,7 т), которые произвел в спешке, используя импровизированный процесс.

Металлические урановые цилиндры диаметром 2,25 дюйма (5,7 см), известные как «яйца Спеддинга», были брошены в отверстия в графите вместо псевдосфер оксида урана. В процессе наполнения шара углекислым газом не было бы необходимости, и можно было бы обойтись без двадцати слоев. Согласно новым расчетам Ферми, обратный отсчет достигнет 1 между 56-м и 57-м слоями. Таким образом, полученная куча сверху оказалась более плоской, чем снизу. Андерсон объявил остановку после установки 57-го слоя. После завершения деревянная рама поддерживала конструкцию эллиптической формы высотой 20 футов (6,1 м), шириной 6 футов (1,8 м) на концах и шириной 25 футов (7,6 м) в середине. Он содержал 6 коротких тонн (5,4 т) металлического урана, 50 коротких тонн (45 т) оксида урана и 400 коротких тонн (360 т) графита ориентировочной стоимостью 2,7 миллиона долларов.

Первая цепная ядерная реакция

Фиаско Кьянти , приобретенное Юджином Вигнером, чтобы отпраздновать первую самоподдерживающуюся, контролируемую цепную реакцию. Его подписали участники.

На следующий день, 2 декабря 1942 года, все собрались на эксперимент. На мероприятии присутствовало 49 ученых. Хотя большая часть Исполнительного комитета S-1 находилась в Чикаго, только Кроуфорд Гринуолт . по приглашению Комптона присутствовал Среди других высокопоставленных лиц были Сцилард, Вигнер и Спеддинг. Ферми, Комптон, Андерсон и Зинн собрались вокруг пульта управления на балконе, который изначально задумывался как смотровая площадка. Сэмюэл Эллисон стоял наготове с ведром концентрированной нитрата кадмия , который он должен был выбросить в кучу в случае чрезвычайной ситуации. Запуск начался в 09:54. Уолтер Зинн снял молнию, стержень аварийного управления, и закрепил ее. Норман Хилберри стоял наготове с топором, чтобы перерезать страховочную веревку, которая позволила бы молнии упасть под действием силы тяжести. Пока Леона Вудс громким голосом вызывала счетчик из детектора трифторида бора, Джордж Вейл , единственный на полу, убрал все управляющие стержни, кроме одного. В 10:37 Ферми приказал Вейлю удалить весь последний стержень управления, кроме 13 футов (4,0 м). Вейл выдвигал его на 6 дюймов (15 см) за раз, измеряя каждый шаг.

Процесс был внезапно остановлен из-за повторной установки стержня автоматического управления из-за слишком низкого уровня срабатывания. В 11:25 Ферми приказал снова вставить стержни управления. Затем он объявил, что пришло время обеда.

Эксперимент возобновился в 14:00. Вейль работал с последним управляющим стержнем, а Ферми тщательно следил за активностью нейтронов. Ферми объявил, что котел достиг критического уровня (достиг самоподдерживающейся реакции) в 15:25. Ферми переключил шкалу самописца, чтобы учесть быстро возрастающий электрический ток, исходящий от детектора трифторида бора. Он хотел проверить цепи управления, но через 28 минут сработал сигнал тревоги, оповещающий всех о том, что поток нейтронов превысил заданный уровень безопасности, и он приказал Зинну отстегнуть молнию. Реакция быстро прекратилась. Свая проработала около 4,5 минут при мощности около 0,5 Вт. Вигнер открыл бутылку Кьянти , которую они пили из бумажных стаканчиков.

Комптон уведомил Конанта по телефону. Разговор шел в импровизированном коде:

Комптон: Итальянский мореплаватель приземлился в Новом Свете.
Конант: Как там туземцы?

Комптон: Очень дружелюбно.

Последующая операция

Основная статья: Зона А

12 декабря 1942 года мощность СР-1 была увеличена до 200 Вт, чего достаточно для питания лампочки. Из-за отсутствия какой-либо защиты это представляло радиационную опасность для всех, кто находился поблизости, и дальнейшие испытания были продолжены при мощности 0,5 Вт. Операция была прекращена 28 февраля 1943 г. и свая была разобрана и перенесена на Зону А в Аргоннском лесу, ныне известную как Лес Красных Ворот . Здесь исходные материалы были использованы для строительства Чикагской сваи-2 (СР-2). Вместо сферической формы новый реактор был построен в форме куба, высотой около 25 футов (7,6 м) с квадратным основанием примерно 30 футов (9,1 м). Он был окружен бетонными стенами толщиной 5 футов (1,5 м), которые действовали как радиационная защита , с верхней защитой из 6 дюймов (15 см) свинца и 50 дюймов (130 см) дерева. Было использовано больше урана, поэтому он содержал 52 короткие тонны (47 т) урана и 472 короткие тонны (428 т) графита. Никакой системы охлаждения не было, поскольку ее мощность составляла всего несколько киловатт. СР-2 вступил в строй в марте 1943 г. с коэффициентом k 1,055. Во время войны Уолтер Зинн позволял круглосуточно эксплуатировать СР-2, а его конструкция была пригодна для проведения экспериментов. К CP-2 присоединился Chicago Pile-3 , первый тяжеловодный реактор, который вышел из строя 15 мая 1944 года.

Мемориальный валун на площадке А

Реакторы использовались для проведения исследований, связанных с оружием, таких как исследования свойств трития . Эксперименты военного времени включали измерение сечения поглощения нейтронов элементами и соединениями. Альберт Ваттенберг напомнил, что каждый месяц изучалось около 10 элементов, а в течение года — 75. Несчастный случай с порошком радия и бериллия вызвал опасное падение количества лейкоцитов в его крови , которое продолжалось в течение трех лет. Поскольку опасность таких вещей, как вдыхание оксида урана, стала более очевидной, были проведены эксперименты по воздействию радиоактивных веществ на лабораторных подопытных животных.

Хотя конструкция держалась в секрете в течение десяти лет, Сцилард и Ферми совместно запатентовали ее с первоначальной датой подачи заявки 19 декабря 1944 года как нейтронно-физический реактор № 1. 2708656.

Лес Красных Ворот позже стал первоначальным местом расположения Аргоннской национальной лаборатории , которая заменила Металлургическую лабораторию 1 июля 1946 года, а Зинн стал ее первым директором. CP-2 и CP-3 проработали десять лет, прежде чем изжили себя, и 15 мая 1954 года Зинн приказал их закрыть. Оставшееся годное к употреблению топливо было перевезено в Чикагский блок-5 на новой площадке Аргоннской национальной лаборатории в округе ДюПейдж , а реакторы CP-2 и CP-3 были демонтированы в 1955 и 1956 годах. Некоторые графитовые блоки из CP-1/CP -2 были повторно использованы в отражателе реактора TREAT . Высокоактивные ядерные отходы, такие как топливо и тяжелая вода, были отправлены в Ок-Ридж, штат Теннесси , для захоронения. Остальное было залито бетоном и закопано в траншее глубиной 40 футов (12 м) на месте, известном сейчас как Зона А/Участок М. Он отмечен памятным валуном.

Лео Сцилард (справа) и Норман Хилберри под мемориальной доской в ​​честь Чикаго Пайл-1 на западных трибунах Олд Стэгг Филд. Позже трибуны были снесены, но сейчас мемориальная доска находится на мемориале.

К 1970-м годам общественная обеспокоенность по поводу уровня радиоактивности на этом месте, которое местные жители использовали для отдыха, возросла. Исследования, проведенные в 1980-х годах, обнаружили стронций-90 в почве на участке М, следовые количества трития в близлежащих колодцах, а также плутоний, технеций, цезий и уран на этом участке. В 1994 году Министерство энергетики США и Аргоннская национальная лаборатория поддались давлению общественности и выделили 24,7 миллиона долларов и 3,4 миллиона долларов соответственно на восстановление объекта. В рамках уборки было выделено 500 кубических ярдов (380 м3). ³ ) радиоактивных отходов было вывезено и отправлено на Хэнфордскую площадку для захоронения. К 2002 году Департамент общественного здравоохранения штата Иллинойс установил, что оставшиеся материалы не представляют опасности для здоровья населения.

Значение и память

Успешное испытание CP-1 не только доказало возможность создания ядерного реактора, но и продемонстрировало, что коэффициент k оказался больше, чем первоначально предполагалось. Это сняло возражения против использования в качестве теплоносителя воздуха или воды, а не дорогого гелия. Это также означало большую свободу в выборе материалов для труб охлаждающей жидкости и механизмов управления. Теперь Вигнер продолжил работу над проектом производственного реактора с водяным охлаждением. Сохранялись опасения по поводу способности реактора с графитовым замедлителем производить плутоний в промышленных масштабах, и по этой причине Манхэттенский проект продолжил разработку установок по производству тяжелой воды . Реактор с воздушным охлаждением, графитовый реактор Х-10 , был построен на инженерном заводе Клинтона в Ок-Ридже как часть плутониевого полузавода. за ними последовали более крупные производственные реакторы с водяным охлаждением на площадке в Хэнфорде в штате Вашингтон . К июлю 1945 года было произведено достаточно плутония для атомной бомбы, а в августе — еще для двух.

Мемориальная доска была открыта на Стэгг-Филд 2 декабря 1952 года, по случаю десятой годовщины критического события CP-1. Оно гласило следующее:

2 декабря 1942 года человек осуществил здесь первую самоподдерживающуюся цепную реакцию и тем самым инициировал контролируемое высвобождение ядерной энергии.

Мемориальная доска была сохранена после сноса Западной трибуны в августе 1957 года. место CP-1 было признано национальным историческим памятником . 18 февраля 1965 года Когда в 1966 году был создан Национальный реестр исторических мест , он сразу же был добавлен к нему. это место также было названо достопримечательностью Чикаго . 27 октября 1971 года

Сегодня на месте старого Стэгг-Филд расположены университетская библиотека Регенштейна , открытая в 1970 году, и библиотека Джо и Рики Мансуэто , открытая в 2011 году. Скульптура Генри Мура « Ядерная энергия » стоит в небольшом четырехугольнике возле библиотеки Регенштейна на месте бывшего корта для ракеток западной смотровой площадки. Он был посвящен 2 декабря 1967 года в ознаменование 25-летия критической годовщины CP-1. Рядом находятся памятные доски 1952, 1965 и 1967 годов. Графитовый блок из CP-1 можно увидеть в Музее науки Брэдбери в Лос-Аламосе, Нью-Мексико ; другой выставлен в Музее науки и промышленности в Чикаго. 2 декабря 2017 года, в 75-ю годовщину, Массачусетский технологический институт при восстановлении исследовательской графитовой груды, по конструкции аналогичной Чикагской свае-1, торжественно вставил последние урановые пули.

Ссылки

• Аллардис, Корбин; Трапнелл, Эдвард Р. (декабрь 1982 г.). «Первая стопка». Первый реактор (PDF) . Ок-Ридж, Теннесси: Комиссия по атомной энергии США, Отдел технической информации. стр. 1–21. OCLC   22115 . Проверено 27 мая 2017 г.
• Амальди, Уго (2001). «Ядерная физика с тридцатых годов до наших дней». В Бернардини, К.; Бонолис, Луиза (ред.). Энрико Ферми: его работа и наследие . Болонья: Итальянское физическое общество: Springer. стр. 151–176 . ISBN  978-88-7438-015-2 . OCLC   56686431 .
• Андерсон, Герберт Л. (1975). «Помощь Ферми». В Уилсоне, Джейн (ред.). Все в наше время: воспоминания двенадцати пионеров атомной энергетики . Чикаго: Бюллетень ученых-атомщиков. стр. 66–104. OCLC   1982052 .
• Бонолис, Луиза (2001). «Научная работа Энрико Ферми». В Бернардини, К.; Бонолис, Луиза (ред.). Энрико Ферми: его работа и наследие . Болонья: Итальянское физическое общество: Springer. стр. 314–394 . ISBN  978-88-7438-015-2 . OCLC   56686431 .
• Комптон, Артур (1956). Атомный квест . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. OCLC   173307 .
• Карри, LM; Хамистер, ВК; Макферсон, Х.Г. (1955). Производство и свойства графита для реакторов . Национальная углеродная компания. OCLC   349979 .
• Эмбри, Ли Анна (1970). «Джордж Брэкстон Пеграм 1876–1958» (PDF) . Биографические мемуары Национальной академии наук . 41 : 357–407 . Проверено 23 ноября 2015 г.
• Ферми, Энрико (декабрь 1982 г.). «Собственная история Ферми». Первый реактор (PDF) . Ок-Ридж, Теннесси: Комиссия по атомной энергии США, Отдел технической информации. стр. 22–26. OCLC   22115 . Проверено 27 мая 2017 г.
• Гроувс, Лесли (1962). Теперь это можно рассказать: история Манхэттенского проекта . Нью-Йорк: Харпер. ISBN  978-0-306-70738-4 . OCLC   537684 .
• Хьюлетт, Ричард Г .; Андерсон, Оскар Э. (1962). Новый Свет, 1939–1946 (PDF) . Университетский парк: Издательство Пенсильванского государственного университета. ISBN  978-0-520-07186-5 . OCLC   637004643 . Проверено 26 марта 2013 г.
• Хогертон, Хон Ф. (1970). Ядерные реакторы (PDF) . Понимание атомного ряда. Ок-Ридж, Теннесси: Комиссия по атомной энергии США. OCLC   108834 . Проверено 6 октября 2019 г.
• Холл, Джек М.; Хьюлетт, Ричард Г .; Харрис, Рут Р. (1997). Аргоннская национальная лаборатория, 1946–96 . Издательство Университета Иллинойса. ISBN  978-0-252-02341-5 .
• Джонс, Винсент (1985). Манхэттен: Армия и атомная бомба . Вашингтон, округ Колумбия: Центр военной истории армии США. OCLC   10913875 .
• Лануэтт, Уильям; Силард, Бела (1992). Гений в тени: Биография Лео Силарда: Человек за бомбой . Нью-Йорк: Издательство Skyhorse. ISBN  978-1-62636-023-5 . ОСЛК   25508555 .
• Либби, Леона Маршалл (1979). Урановые люди . Нью-Йорк: Крейн, Руссак. ISBN  978-0-8448-1300-4 . OCLC   4665032 .
• Манхэттенский округ (1947 г.). История округа Манхэттен, Книга IV – Проект свай X-10, Том 2 – Исследования, Часть 1 – Металлургическая лаборатория (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Район Манхэттен.
• Николс, Кеннет Д. (1987). Дорога к Троице: личный отчет о том, как разрабатывалась ядерная политика Америки . Нью-Йорк: Уильям Морроу и компания. ISBN  978-0-688-06910-0 . OCLC   15223648 .
• Найтингейл, RE (1962). «Графит в атомной промышленности» . В Найтингейле, RE (ред.). Ядерный графит . Академическая пресса. ISBN  978-1-4832-5848-5 . OCLC   747492 .
• Роудс, Ричард (1986). Создание атомной бомбы . Лондон: Саймон и Шустер. ISBN  978-0-671-44133-3 .
• Сальветти, Карло (2001). «Рождение ядерной энергии: груда Ферми». В Бернардини, К.; Бонолис, Луиза (ред.). Энрико Ферми: его работа и наследие . Болонья: Итальянское физическое общество: Springer. стр. 177–203 . ISBN  978-88-7438-015-2 . OCLC   56686431 .
• Сегре, Эмилио (1970). Энрико Ферми, физик . Чикаго: Издательство Чикагского университета. ISBN  978-0-226-74473-5 . OCLC   118467 .
• Ваттенберг, Альберт (1975). «Присутствие при творении». В Уилсоне, Джейн (ред.). Все в наше время: воспоминания двенадцати пионеров атомной энергетики . Чикаго: Бюллетень ученых-атомщиков. стр. 105–123. OCLC   1982052 .
• Вайнберг, Элвин (1994). Первая ядерная эра: жизнь и времена технологического наладчика . Нью-Йорк: AIP Press. ISBN  978-1-56396-358-2 .
• Цуг, Дж. (2003). Сквош: история игры . Нью-Йорк: Скрибнер. ISBN  978-0-7432-2990-6 . OCLC   52079735 .

Внешние ссылки

• День начался завтра: история первой атомной электростанции в Чикаго, представленной на YouTube – видео AEC, 1967 г.
• Фотографии CP-1 заархивированы 27 февраля 2021 года в Wayback Machine, Архив библиотеки Чикагского университета. Включает фотографии и эскизы CP-1.
• Видео западных трибун Стэгг Филд, Института изучения металлов (металлургическая лаборатория), Энрико Ферми и активного эксперимента с использованием CP-1
• Первая стопка 11-страничного рассказа о CP-1
• «Воспоминания из первых рук о первой самоподдерживающейся цепной реакции» . Министерство энергетики . Архивировано из оригинала 27 марта 2019 года . Проверено 23 сентября 2015 г. Видео двух последних выживших пионеров CP-1, Гарольда Агнью и Уоррена Найера.
• Аудиофайлы Ферми, рассказывающие об успехе реактора к 10-летию реактора в 1952 году.