Проект П-9
Проект P-9 — кодовое название, данное во время Второй мировой войны программе проекта Манхэттенского по производству тяжелой воды . Предприятие Cominco в Трейле, Британская Колумбия , было модернизировано для производства тяжелой воды. DuPont построила три завода в США: на артиллерийском заводе в Моргантауне, недалеко от Моргантауна, Западная Вирджиния ; на артиллерийском заводе на реке Вабаш , недалеко от Даны и Ньюпорта, штат Индиана ; и на артиллерийском заводе в Алабаме , недалеко от Чилдерсбурга и Силакауги, штат Алабама . Американские заводы работали с 1943 по 1945 год. Канадский завод в Трейле продолжал работать до 1956 года. Три ядерных реактора были построены с использованием тяжелой воды, полученной в рамках проекта P-9: Chicago Pile 3 в Аргонне , а также ZEEP и NRX в Меле. Речные лаборатории в Канаде.
Происхождение [ править ]
Тяжелая вода — это форма воды , которая содержит большее, чем обычно, количество водорода изотопа дейтерия , также известного как тяжелый водород, а не обычного изотопа водорода-1 , который составляет большую часть водорода в обычной воде. [1] Дейтерий был открыт Гарольдом Юри в 1931 году, а позже ему удалось сконцентрировать его в воде. [2] Его наставник Гилберт Ньютон Льюис выделил первый образец чистой тяжелой воды методом электролиза в 1933 году. [3]
Несмотря на научное любопытство с самого начала, значительный интерес к тяжелой воде возник в 1939 году, когда Ганс фон Хальбан и Лев Коварски предположили, что тяжелую воду можно использовать в качестве замедлителя нейтронов в ядерном реакторе , использующем природный уран . Они проводили эксперименты с ураном, используя обычную воду, но обнаружили, что атомы водорода поглощают нейтроны, предотвращая тем самым желаемую цепную реакцию. [4] Однако тяжелая вода была идеальным замедлителем. Управление научных исследований и разработок (OSRD) назначило Хью С. Тейлора , британского физика из Принстонского университета, ответственным за исследования тяжелой воды. Тейлор и Юри начали искать способы производства тяжелой воды в промышленных масштабах. Для своего плутониевого проекта Артур Х. Комптон запросил 2 камня (28 фунтов; 13 кг). [5] В октябре 1942 года проект по тяжелой воде получил кодовое название «Проект П-9». [6]
Проблема с использованием тяжелой воды заключалась в том, что ее было мало, и ученые не могли легко получить количество, необходимое для реактора. В Колумбийском университете в США Энрико Ферми и Лео Сцилард попытались вместо этого использовать графит в качестве модератора. Это оказалось возможным, но графит должен был быть очень чистым, так как примеси, особенно бор , имели свойство поглощать нейтроны. [4] 2 декабря 1942 года команда Ферми инициировала первую искусственную самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию в экспериментальном реакторе, известном как Chicago Pile-1 . Для Манхэттенского проекта это был решающий шаг на пути к производству плутония в реакторе для использования в атомной бомбе , но для массового производства требовались реакторы гораздо большей мощности. [7]
Тропа [ править ]
Cominco занималась исследованиями тяжелой воды с 1934 года и производила ее на своем плавильном заводе Teck Cominco в Трейле, Британская Колумбия . 26 февраля 1941 года Канадский национальный исследовательский совет поинтересовался его способностью производить тяжелую воду. За этим последовало 23 июля 1941 года письмо Тейлора, в котором он предлагал контракт Комитету национальных оборонных исследований (NDRC) на производство 2000 фунтов (910 кг), за который NDRC был готов платить 5 долларов за фунт за низкосортные и 10 долларов за высокосортные. -тяжелая вода. В то время он продавался по цене до 1130 долларов за фунт. [6]
Президент Cominco Селвин Дж. Блейлок был осторожен. Послевоенный спрос на тяжелую воду мог отсутствовать, а патент на этот процесс принадлежал Альберту Эдгару Ноулзу, поэтому потребуется соглашение о разделе прибыли. В ответ Тейлор предложил 20 000 долларов на модификацию завода. [6] [8] Так дело и оставалось до 6 декабря 1941 года, когда Блейлок встретился с британским физиком Дж. Хигсоном, который сообщил ему, что Тейлор разочаровался в Коминко и решил найти альтернативный источник тяжелой воды. Блейлок пригласил Тейлора посетить Трейл, что он и сделал с 5 по 8 января 1942 года. Вскоре они нашли общий язык. Блейлок согласился производить тяжелую воду в Трейле и быстро получил одобрение председателя правления сэра Эдварда Битти . Контракт был подписан 1 августа 1942 года. [6]
К существующей электростанции стоимостью 10 миллионов долларов, состоящей из 3215 элементов, потребляющих 75 МВт гидроэлектроэнергии, были добавлены вторичные электролизные ячейки для увеличения концентрации дейтерия в воде с 2,3% до 99,8%. Для этого процесса Тейлор разработал платино-углеродный катализатор для первых трех ступеней, а Юри разработал никель- хромовый катализатор для колонны четвертой ступени. [9] Было приобретено семь новых участков земли общей площадью 0,474 акра (0,192 га), которые были арендованы правительством США. Строительство велось компанией Stone & Webster . Окончательная стоимость составила 2,8 миллиона долларов. Правительство Канады официально не узнало о проекте до августа 1942 года. [10] [11] незадолго до начала строительства в следующем месяце. Он был завершен 30 июня 1943 года и обошёлся в 2 604 622 доллара. [9]
Производство неуклонно росло с 15 фунтов (6,8 кг) в июне 1943 года до 326 фунтов (148 кг) в январе 1944 года, 1055 фунтов (479 кг) в январе 1945 года и 1305 фунтов (592 кг) в январе 1946 года. [12] Эксплуатационные расходы завода в период с июня 1943 года по декабрь 1946 года в среднем составляли 32 979 долларов в месяц. [13] когда Манхэттенский проект был заменен Комиссией по атомной энергии . [14] Это составило 39 долларов за фунт. [13] Производство тяжелой воды в компании Trail продолжалось до 1956 года. [10]
Американские сайты [ править ]
Директор Манхэттенского проекта бригадный генерал Лесли Р. Гроувс-младший в ноябре 1942 года нанял компанию DuPont в качестве генерального подрядчика строительства комплекса по производству плутония. [7] Хотя компания DuPont предпочитала конструкции ядерных реакторов с гелиевым охлаждением и использованием графита в качестве замедлителя, компания DuPont по-прежнему выражала заинтересованность в использовании тяжелой воды в качестве резервного варианта на случай, если конструкция графитового реактора по какой-либо причине окажется неосуществимой. Было подсчитано, что для этой цели потребуется 3 коротких тонны (2,7 т) тяжелой воды в месяц. Поскольку завод в Трейле, который тогда строился, мог производить 0,5 коротких тонны (0,45 т) в месяц, требовалась большая мощность. [15]
Поэтому Гровс уполномочил DuPont построить дополнительные предприятия по производству тяжелой воды на артиллерийском заводе в Моргантауне, недалеко от Моргантауна, Западная Вирджиния ; на артиллерийском заводе на реке Вабаш , недалеко от Даны и Ньюпорта, штат Индиана ; и на артиллерийском заводе в Алабаме , недалеко от Чилдерсбурга и Силакауги, штат Алабама . Хотя они известны как артиллерийские заводы и оплачиваются по контрактам с Департаментом вооружения , они были построены и эксплуатировались Инженерным корпусом армии США . Размещение их на артиллерийских заводах позволило сэкономить на приобретении земли, поскольку она уже принадлежала правительству, а у них уже были персонал и коммунальные услуги, включая парогенерирующее оборудование. На трех американских заводах использовался процесс, отличный от процесса Trail; тяжелую воду извлекали путем перегонки с использованием несколько более высокой температуры кипения тяжелой воды. [15] Этот процесс не считался эффективным, но было известно, что он работает и масштабируется до промышленного процесса и, следовательно, представляет меньший риск, чем другие предложения. [16] Ожидалось, что Моргантаун, Вабаш и Алабама будут производить 0,4 коротких тонны (0,36 т), 1,2 коротких тонны (1,1 т) и 0,8 коротких тонны (0,73 т) тяжелой воды соответственно в месяц. [17] с концентрацией 99,75%. [18]
Моргантаун [ править ]
Артиллерийский завод в Моргантауне (MOW) начинался как объект химического производства площадью 826 акров (334 га), которым управляла компания DuPont во время Второй мировой войны, а строительство основного объекта началось летом 1940 года. [19] Первоначально производя аммиак для использования в производстве взрывчатых веществ, MOW также производил спирт, уротропин и формальдегид , а затем был расширен для производства тяжелой воды для использования в проекте P-9. [20] Работы в Моргантауне были выполнены компанией DuPont по контракту с фиксированной оплатой , как и работы в Вабаше и Алабаме. Строительство началось 7 января 1943 года и было практически завершено раньше запланированного срока — 1 сентября. Объекты постепенно вводились в эксплуатацию в период с 29 мая по 28 августа 1943 года. Стоимость составила 3 490 069 долларов. Фиксированная плата DuPont первоначально составляла 154 882 доллара, но она была добровольно снижена до 88 588 долларов, поскольку стоимость строительства была значительно меньше первоначально оцененных 6 034 000 долларов. [21]
Завод электролитической отделки был основан в Моргантауне, поскольку этот завод находился под контролем подразделения аммиака компании DuPont. На этом заводе продукция дистилляционных установок, состоящая примерно на 90% из тяжелой воды, разлагалась электролизом на водород и кислород. Легкий водород имеет тенденцию отводиться первым, оставляя после себя тяжелую воду. Этот процесс повторяли в несколько этапов, чтобы получить готовый продукт, который на 99,75% состоял из тяжелой воды. [22] После того, как концентрация воды достигла 99,75%, тяжелую воду транспортировали по железной дороге в Чикагский университет , где она использовалась в качестве потенциального замедлителя для первых ядерных реакторов, построенных в Соединенных Штатах. [20]
После окончания войны DuPont прекратила свою деятельность на территории MOW, и это место было сдано в аренду различным химическим компаниям до начала 1950-х годов, а затем оставалось пустовать до 1962 года, когда территория была куплена у Управления общего обслуживания США за 1,25 миллиона долларов. Общественной ассоциацией Моргантауна. Затем собственность была передана недавно созданной компании Morgantown Ordnance Works, Inc., принадлежащей местному промышленнику Дж. У. Руби, который начал превращать территорию в промышленный парк. [19] В 1984 году часть объекта было официально предложено добавить в список национальных приоритетов Суперфонда Агентства по охране окружающей среды (EPA) и был добавлен в этот список два года спустя, в 1986 году. Строительство средств правовой защиты началось в 2001 году и включало объединение загрязненных материалов в свалка на территории, накрытая многослойным колпаком. Средство правовой защиты также включало долгосрочный мониторинг и институциональный контроль и было завершено в 2003 году. [23] 21 августа 2018 года Агентство по охране окружающей среды исключило зоны захоронения боеприпасов из списка национальных приоритетов Суперфонда вместе с восемью другими объектами. [24]
Вабаш [ править ]
Строительство началось 23 января 1943 года и было практически завершено 22 октября. Этапы перегонной установки Р-9 были введены в эксплуатацию в период с 17 июня по 18 сентября 1943 года. Общая стоимость составила 7 493 157 долларов, включая гонорар DuPont в размере 152 472 доллара, который был добровольно уменьшен с 272 776 долларов, поскольку завод был построен существенно меньше, чем выделенные 13 665 000 долларов. [25]
Алабама [ править ]
Строительство началось 11 февраля 1943 года и завершилось 15 ноября. Этапы перегонной установки Р-9 были введены в эксплуатацию в период с 29 мая по 4 сентября 1943 года. Общая стоимость составила 3 466 171 доллар, включая гонорар DuPont в размере 70 368 долларов, который был добровольно уменьшен со 184 680 долларов, поскольку завод был построен существенно меньше, чем выделенные 8 285 000 долларов. [26]
Производство [ править ]
Три американских завода так и не достигли запланированной производительности в 4800 фунтов (2200 кг) в месяц. Был рассмотрен ряд предложений по совершенствованию производства и наиболее перспективные были реализованы. Самым успешным из них стала реконструкция башен первой очереди в Моргантауне с целью уменьшения утечек, что привело к значительному улучшению производительности. Однако к этому времени, в начале 1945 года, было решено, что производства достаточно, и затраты на это на других заводах не могут быть оправданы. [27]
Перегонный завод Р-9 в Алабаме был закрыт в июне 1945 года, в Вабаше — в июле, а в Моргантауне — в августе. Завод электролитической отделки в Моргантауне был закрыт в сентябре. Промежуточный продукт, оставшийся после закрытия заводов, был отправлен в Trail. В результате на Trail было получено около 1600 фунтов (730 кг) дополнительной продукции. В период с февраля 1944 года по август 1945 года завод электролитической отделки в Моргантауне, который готовил продукцию для всех трех заводов, производил в среднем 2277 фунтов (1033 кг) в месяц, что в общей сложности составило 43 253 фунта (19 619 кг). [27]
в рамках Манхэттенского проекта Завод электролитической очистки также переработал 3151 фунт (1429 кг) тяжелой воды, доставленной из Германии миссией Алсос . [27] Среднемесячная себестоимость производства составила 72 000 долларов в Моргантауне, 154 000 долларов в Алабаме и 197 400 долларов в Вабаше, всего 423 400 долларов. Таким образом, тяжелая вода стоила 186 долларов за фунт, не считая стоимости установок в 11 967 000 долларов. Если это включено, это будет стоить 550 долларов за фунт по сравнению со 111 долларами за фунт в Trail. [28]
Промежуточный продукт отгружался из Вабаша и Алабамы по железной дороге в запечатанных металлических контейнерах. Готовый продукт был отправлен по железной дороге из Моргантауна по железной дороге Мононгахела и по Канадско-Тихоокеанской железной дороге Манхэттенского проекта в Металлургическую лабораторию в Чикагском университете . [28] [29] Тяжелая вода из Трейла использовалась для реактора № 3 в Чикаго в Аргонне , первого реактора, использующего тяжелую воду и природный уран. Спроектированный Юджином Вигнером и построенный под руководством Уолтера Зинна , он достиг критического уровня 15 мая 1944 года. Выделенная тяжелая вода была использована лабораториями Чок-Ривер для строительства ZEEP под руководством Коварски, который стал критическим в сентябре 1945 года. За этим последовало реактором NRX в 1947 году, который также замедлялся тяжелой водой. Как и CP-3 и ZEEP, он использовался для научных исследований, а не для производства плутония. [10]
Спрос на тяжелую воду увеличился в начале 1950-х годов. [16] Завод по производству тяжелой воды в Вабаше, переименованный теперь Комиссией по атомной энергии в завод Дана, был вновь открыт, и компания DuPont возобновила производство тяжелой воды в мае 1952 года. [30] Площадка использовалась в качестве пилотной установки для нового процесса производства сероводорода . В начале 1957 года завод по производству тяжелой воды был снова закрыт. [31] Этот объект и более крупный комплекс на площадке Саванна-Ривер выполнили свою задачу, поставляя тяжелую воду для реакторов по производству плутония в Саванна-Ривер. [32]
Примечания [ править ]
- ^ Уолтем 2002 , с. 2.
- ^ ХК Юри; Фердинанд Г. Брикведде; ГМ Мерфи (1932). «Изотоп водорода массы 2» . Физический обзор . 39 (1): 164–165. Бибкод : 1932PhRv...39..164U . дои : 10.1103/PhysRev.39.164 .
- ^ Льюис, Дж.Н.; Макдональд, RT (1933). «Концентрация изотопа H2». Журнал химической физики . 1 (6): 341. Бибкод : 1933ЖЧФ...1..341Л . дои : 10.1063/1.1749300 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Уолтем 2002 , с. 6.
- ^ Хьюлетт и Андерсон 1962 , стр. 66–67.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Эндрюс, компакт-диск (осень 1971 г.). «Коминко и Манхэттенский проект» . Исследования до нашей эры (11): 51–62. ISSN 0005-2949 . Проверено 21 мая 2016 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хьюлетт и Андерсон, 1962 , стр. 107–112.
- ^ Патент США 2044704.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Манхэттенский округ, 1947 г. , стр. 4.7–4.9.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Уолтем, 2002 г. , стр. 8–9.
- ^ Манхэттенский округ, 1947 , стр. 3.3–3.6.
- ^ Манхэттенский округ 1947 , с. 5.5.1.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Манхэттенский округ, 1947 год , с. 5.10.
- ^ Джонс 1985 , с. 600.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Джонс 1985 , стр. 107–108.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хьюлетт и Дункан 1969 , стр. 428–429.
- ^ Манхэттенский округ 1947 , с. С3.
- ^ Манхэттенский округ 1947 , с. 2.13.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Ядро 1984 , с. 496–497.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Манхэттенский округ, 1947 год , с. 5.32.
- ^ Манхэттенский округ, 1947 , стр. 4.10–4.9.
- ^ Манхэттенский округ, 1947 , стр. 3.18–3.21.
- ^ «Зоны размещения артиллерийских работ Моргантаун, Западная Вирджиния» . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 1 апреля 2020 г.
- ^ Сенека, Рой (23 августа 2018 г.). «EPA удаляет объект в Моргантауне, Западная Вирджиния, из списка национальных приоритетов Суперфонда» . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 1 апреля 2020 г.
- ^ Манхэттенский округ, 1947 , стр. 4.16–4.21.
- ^ Манхэттенский округ, 1947 , стр. 4.22–4.24.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Манхэттенский округ, 1947 г. , стр. S17–S18.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Манхэттенский округ, 1947 г. , стр. S18–S20.
- ^ Манхэттенский округ, 1947 г. , стр. 3.1, 3.12.
- ^ «Отчет об исторических объектах - Армейский завод боеприпасов в Ньюпорте» (PDF) . Август 1984 года . Проверено 1 марта 2014 г.
- ^ Дж. У. (Билл) Моррис, Уильям П. Беббингтон, Роберт Г. Гарвин, Мэл К. Шредер и У. К. Скоттен. «Тяжелая вода для участка реки Саванна» (PDF) . Граждане за осведомленность о ядерных технологиях . Проверено 1 марта 2014 г.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Атомная история – Глава 13: Реакторы, топливо и рост мощности (1955–1963)» (PDF) . Сайт реки Саванна . Проверено 1 марта 2014 г.
Ссылки [ править ]
- Ядро, Эрл Л. (1984). История Мононгалии: двухсотлетняя история . Парсонс, Западная Вирджиния: Типография McClain. ISBN 0-87012-465-Х . ОСЛК 1217546 .
- Хьюлетт, Ричард Г .; Андерсон, Оскар Э. (1962). Новый Свет, 1939–1946 (PDF) . Университетский парк: Издательство Пенсильванского государственного университета. ISBN 0-520-07186-7 . OCLC 637004643 . Проверено 26 марта 2013 г.
- Хьюлетт, Ричард Г.; Дункан, Фрэнсис (1969). Атомный щит, 1947–1952 гг . История Комиссии по атомной энергии США. Университетский парк: Издательство Пенсильванского государственного университета. ISBN 0-520-07187-5 . ОСЛК 3717478 .
- Джонс, Винсент (1985). Манхэттен: Армия и атомная бомба (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Центр военной истории армии США. OCLC 10913875 . Проверено 25 августа 2013 г.
- Манхэттенский округ (1947 г.). Проект П-9 (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Министерство энергетики США . Проверено 1 марта 2014 г.
- Уолтем, Крис (20 июня 2002 г.). Ранняя история тяжелой воды . Кафедра физики и астрономии Университета Британской Колумбии. arXiv : физика/0206076 .
