Проект P-9 - P-9 Project

Завод по производству тяжелой воды в Силакоге, Алабама

В Проект P-9 было кодовое имя, данное во время Вторая Мировая Война к Манхэттенский проект с тяжелая вода производственная программа. В Коминко посадить в Трейл, Британская Колумбия, был модернизирован для производства тяжелой воды. DuPont построил три завода в США: в Morgantown Ordnance Works, недалеко от Моргантаун, Западная Вирджиния; на Артиллерийский завод на реке Вабаш, возле Дана и Ньюпорт, Индиана; и на Алабамский артиллерийский завод, возле Childersburg и Силакога, Алабама. Американские заводы работали с 1943 по 1945 год. Канадский завод в Трейле продолжал работать до 1956 года. Три ядерные реакторы были построены на тяжелой воде проекта Р-9: Чикаго Пайл 3 в Аргонн, и ZEEP и NRX на Лаборатории Чок-Ривер в Канаде.

Происхождение

Тяжелая вода это форма воды который содержит большее, чем обычно, количество водород изотоп дейтерий, также известный как тяжелый водород, а не обычный водород-1 изотоп, который составляет большую часть водорода в обычной воде.[1] Дейтерий был открыт Гарольд Юри в 1931 году, и позже он смог сконцентрировать его в воде.[2] Его наставник Гилберт Ньютон Льюис выделил первый образец чистой тяжелой воды электролиз в 1933 г.[3]

Хотя с самого начала это было научное любопытство, значительный интерес к тяжелой воде возник в 1939 году, когда Ганс фон Хальбан и Лью Коварски предположил, что тяжелую воду можно использовать в качестве замедлитель нейтронов в ядерный реактор используя натуральный уран. Они провели эксперименты с ураном, используя обычную воду, но обнаружили, что атомы водорода поглощают нейтроны, тем самым предотвращая желаемую цепную реакцию.[4] Однако тяжелая вода была идеальным замедлителем. В Управление научных исследований и разработок (OSRD) положить Хью С. Тейлор, британский физик из Университет Принстона отвечает за исследования тяжелой воды. Тейлор и Юри начали искать способы производства тяжелой воды в промышленных масштабах. За его плутоний проект, Артур Х. Комптон потребовал 2 камня (28 фунтов; 13 кг) из этого.[5] В октябре 1942 года проект тяжелой воды получил кодовое название "Проект Р-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 Колумбийский университет В Соединенных Штатах, Энрико Ферми и Лео Сцилард пытался использовать графит вместо этого в качестве модератора. Это оказалось возможным, но графит должен был быть очень чистым, так как примеси, особенно бор, как правило, поглощают нейтроны.[4] 2 декабря 1942 года группа Ферми инициировала первую искусственную самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию в экспериментальном реакторе, известном как Чикаго Пайл-1. Для Манхэттенский проект, это был решающий шаг к производству плутония в реакторе для использования в Атомная бомба, но для массового производства требовались реакторы гораздо большего размера.[7]

Тащить

Коминко занимался исследованиями тяжелой воды с 1934 г. и производил ее на своем плавильном заводе в г. Трейл, Британская Колумбия. 26 февраля 1941 г. канадский Национальный исследовательский совет спросил о его способности производить тяжелую воду. За этим последовало 23 июля 1941 года письмо от Тейлора, в котором Национальный комитет оборонных исследований (NDRC) контракт на производство 2000 фунтов (910 кг), за который NDRC был готов заплатить 5 долларов за фунт за низкосортную и 10 долларов за высокосортную тяжелую воду. В то время он продавался по цене до 1130 долларов за фунт.[6]

Президент Коминко, Селвин Дж. Блейлок, был осторожен. Послевоенный спрос на тяжелую воду мог не существовать, а патент на процесс принадлежал Альберту Эдгару Ноулзу, поэтому потребуется соглашение о разделе прибыли. В ответ Тейлор предложил 20 000 долларов за модификацию завода.[6][8] Так продолжалось до 6 декабря 1941 года, когда Блейлок встретился с британским физиком Г. И. 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 на Trail и быстро получил одобрение председателя правления, сэр Эдвард Битти. Контракт был подписан 1 августа 1942 года.[6]

К существующей установке стоимостью 10 миллионов долларов, состоящей из 3215 ячеек, потребляющих 75 МВт гидроэлектроэнергии, были добавлены вторичные электролизные ячейки, чтобы повысить концентрацию дейтерия в воде с 2,3% до 99,8%. Для этого процесса Тейлор разработал платину на угле. катализатор для первых трех этапов, в то время как Юри разработал никель-хромия один для башни четвертой ступени.[9] Было приобретено семь новых участков земли общей площадью 0,474 акра (0,192 га), которые были арендованы правительством США. Строительство велось Стоун и Вебстер. Окончательная стоимость составила 2,8 миллиона долларов. Канадское правительство 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 обошелся в 2604 622 доллара.[9]

Производство постоянно 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] В период с июня 1943 г. по декабрь 1946 г. эксплуатационные расходы завода составляли в среднем 32 979 долларов в месяц.[13] когда Манхэттенский проект был заменен Комиссия по атомной энергии.[14] Получилось 39 долларов за фунт.[13] Производство тяжелой воды Trail продолжалось до 1956 года.[10]

Американские сайты

Завод по производству тяжелой воды в Силакоге, Алабама

Директор Манхэттенского проекта, главный бригадир Лесли Р. Гровс младший, в ноябре 1942 г. DuPont в качестве генерального подрядчика строительства комплекса по производству плутония.[7] Хотя DuPont предпочитала конструкции ядерных реакторов с гелиевым охлаждением и использовала графит в качестве замедлителя, DuPont по-прежнему проявляла интерес к использованию тяжелой воды в качестве резервной на тот случай, если конструкция графитового реактора окажется по какой-то причине невозможной. Для этой цели было подсчитано, что в месяц потребуется 3 коротких тонны (2,7 т) тяжелой воды. Поскольку завод в Трейле, который тогда строился, мог производить 0,5 коротких тонны (0,45 т) в месяц, требовались дополнительные мощности.[15]

Поэтому Гроувс разрешил DuPont установить дополнительные объекты тяжелой воды на артиллерийском заводе в Моргантауне, недалеко от Моргантаун, Западная Вирджиния; на Артиллерийский завод на реке Вабаш, возле Дана и Ньюпорт, Индиана; и на Алабамский артиллерийский завод, возле Childersburg и Силакога, Алабама. Хотя известно как артиллерийский завод и оплачивается по Артиллерийский отдел контракты, они были построены и эксплуатировались Инженерный корпус армии США. Размещение их на заводах по производству боеприпасов позволило сэкономить на приобретении земли, поскольку она уже принадлежала правительству, и у них уже был персонал и коммунальные услуги, включая парогенераторное оборудование. Три американских завода использовали процесс, отличный от технологии Trail; тяжелая вода была извлечена перегонкой, используя в своих интересах немного более высокую температуру кипения тяжелой воды.[15] Это не считалось эффективным процессом, но было известно, что он работает и масштабируется для промышленного процесса, и поэтому представлял меньший риск, чем другие предложения.[16] Ожидается, 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) соответственно тяжелой воды в месяц,[17] с концентрацией 99,75%.[18]

Моргантаун

Morgantown Ordnance Works (MOW) начинался как химический завод площадью 826 акров (334 га), которым DuPont управляла во время Второй мировой войны, а строительство основного объекта началось летом 1940 года.[19] Первоначально производящий аммиак для использования в производстве взрывчатых веществ MOW также производил спирт, гексамин, и формальдегид перед расширением для производства тяжелой воды для использования в проекте P-9.[20] Работы в Моргантауне проводились DuPont под договор с фиксированной оплатой затрат, 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. Первоначально фиксированный гонорар DuPont составлял 154 882 доллара, но он был добровольно снижен до 88 588 долларов, поскольку стоимость строительства была значительно меньше первоначально оцененных 6 034 000 долларов.[21]

Завод электролитической отделки был основан в Моргантауне, потому что этот завод находился под контролем Аммиачного подразделения DuPont. На этой установке продукция дистилляционных установок, которая на 90% состояла из тяжелой воды, была разложена путем электролиза на водород и кислород. Легкий водород обычно отводится первым, а тяжелая вода остается. Этот процесс повторяли в несколько стадий, чтобы получить готовый продукт, содержащий 99,75% тяжелой воды.[22] После того, как концентрация воды достигла 99,75%, тяжелая вода транспортировалась по железной дороге на Чикагский университет где он использовался в качестве потенциального замедлителя для первых ядерных реакторов, построенных в США.[20]

После окончания войны DuPont прекратили свою деятельность в MOW, и этот участок был сдан в аренду различным химическим компаниям до начала 1950-х годов, а затем оставался вакантным до 1962 года, когда территория была куплена у Управления общего обслуживания США за 1,25 миллиона долларов. Ассоциацией сообщества Моргантауна. Затем собственность была передана недавно созданной Morgantown Ordnance Works, Inc., принадлежащей местному промышленнику Дж. У. Руби, который начал преобразовывать участок в промышленный парк.[19] В 1984 году часть сайта официально предложили добавить в Агентство по охране окружающей среды (EPA) Список национальных приоритетов Суперфонда, который был добавлен в список двумя годами позже, в 1986 году. Строительство средств защиты началось в 2001 году и включало консолидацию загрязненных материалов на свалке на месте, которая была покрыта многослойной крышкой. 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 участки размещения боеприпасов из списка национальных приоритетов Суперфонда вместе с восемью другими объектами.[24]

Wabash

Строительство началось 23 января 1943 года и было завершено 22 октября. Этапы перегонной установки P-9 были введены в эксплуатацию с 17 июня по 18 сентября 1943 года. Общая стоимость составила 7 493 157 долларов, включая гонорар DuPont в размере 152 472 долларов, который был добровольно снижен с 272 776 долларов, поскольку завод был построен за значительно меньшую сумму, чем было выделено 13 665 000 долларов.[25]

Алабама

Строительство началось 11 февраля 1943 года и было завершено 15 ноября. Этапы перегонной установки P-9 были введены в эксплуатацию 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 снижен с 184 680 долларов, поскольку завод был построен за существенно меньшую сумму, чем было выделено 8 285 000 долларов.[26]

Производство

Чикаго Пайл-3

Три американских завода так и не достигли запланированного объема производства в 4 800 фунтов (2200 кг) в месяц. Был рассмотрен ряд предложений по совершенствованию производства и реализованы наиболее перспективные. Самым успешным из них была реконструкция башен первой ступени в Моргантауне для уменьшения утечки, что привело к значительному повышению производительности. Однако к этому времени, в начале 1945 года, было решено, что производства достаточно, и затраты на это на других заводах не могли быть оправданы.[27]

Дистилляционный завод P-9 в Алабаме был закрыт в июне 1945 года, завод в Вабаше - в июле, а завод в Моргантауне - в августе. Завод электролитической отделки в Моргантауне был закрыт в сентябре. Промежуточный продукт, оставшийся после закрытия заводов, был отправлен в Trail. Это привело к увеличению производства на Trail примерно 1600 фунтов (730 кг). В период с февраля 1944 года по август 1945 года завод электролитической отделки в Моргантауне, производивший продукцию для всех трех заводов, производил в среднем 2277 фунтов (1033 кг) в месяц, что в сумме составляет 43 253 фунтов (19 619 кг).[27]

Завод окончательной электролитической обработки также обработал 3151 фунт (1429 кг) тяжелой воды, полученной из Германии в рамках Манхэттенского проекта. Миссия Алсос.[27] Средние ежемесячные производственные затраты составили 72 000 долларов в Моргантауне, 154 000 долларов в Алабаме и 197 400 долларов в Вабаше, в сумме 423 400 долларов. Таким образом, тяжелая вода стоила 186 долларов за фунт без учета стоимости заводов в 11 967 000 долларов. Если это включить, это будет стоить 550 долларов за фунт по сравнению со 111 долларами за фунт в Trail.[28]

Промежуточный продукт был доставлен из Вабаша и Алабамы по железной дороге в запечатанных металлических контейнерах. Готовый продукт был доставлен по железной дороге из Моргантауна через Мононгахела Железная дорога и след через Канадская тихоокеанская железная дорога к Манхэттенскому проекту Металлургическая лаборатория на Чикагский университет.[29][30] Тяжелая вода из Trail использовалась для Чикаго Пайл 3 в Аргонн, первый реактор на тяжелой воде и природном уране. Разработано Юджин Вигнер и построен под руководством Уолтер Зинн, он стал критическим 15 мая 1944 года. Отвод тяжелой воды был использован Лаборатории Чок-Ривер строить ZEEP под руководством Коварски, который стал критическим в сентябре 1945 года. NRX реактор в 1947 году, который также замедлялся тяжелой водой. Подобно 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, теперь переименованный Комиссией по атомной энергии в завод Дана, был открыт, и DuPont возобновила производство тяжелой воды в мае 1952 года.[31] На участке использовалась пилотная установка для нового производственного процесса с использованием сероводород. Завод по производству тяжелой воды был снова закрыт в начале 1957 года.[32] Объект и более крупный комплекс на Сайт реки Саванна выполнила свою задачу, поставив тяжелую воду для реакторов по производству плутония в Саванна-Ривер.[33]

Примечания

  1. ^ Уолтем 2002, п. 2.
  2. ^ Х. К. Юри; Фердинанд Г. Брикведде; Г. М. Мерфи (1932). "Изотоп водорода массой 2". Физический обзор. 39 (1): 164–165. Bibcode:1932ПхРв ... 39..164У. Дои:10.1103 / PhysRev.39.164.
  3. ^ Льюис, Г. Н .; Макдональд, Р. Т. (1933). «Концентрация изотопа Н2». Журнал химической физики. 1 (6): 341. Bibcode:1933ЖЧФ ... 1..341Л. Дои:10.1063/1.1749300.
  4. ^ а б Уолтем 2002, п. 6.
  5. ^ Хьюлетт и Андерсон, 1962 г. С. 66–67.
  6. ^ а б c d Эндрюс, К. Д. (осень 1971 г.). «Коминко и Манхэттенский проект». BC Исследования (11): 51–62. ISSN  0005-2949. Получено 21 мая 2016.
  7. ^ а б Хьюлетт и Андерсон, 1962 г. С. 107–112.
  8. ^ Патент США 2044704
  9. ^ а б Манхэттенский округ 1947, С. 4.7–4.9.
  10. ^ а б c Уолтем 2002, стр. 8–9.
  11. ^ Манхэттенский округ 1947, стр. 3.3–3.6.
  12. ^ Манхэттенский округ 1947, п. 5.5.1.
  13. ^ а б Манхэттенский округ 1947, п. 5.10.
  14. ^ Джонс 1985, п. 600.
  15. ^ а б Джонс 1985 С. 107–108.
  16. ^ а б Хьюлетт и Дункан, 1969 г. С. 428–429.
  17. ^ Манхэттенский округ 1947, п. S3.
  18. ^ Манхэттенский округ 1947, п. 2.13.
  19. ^ а б Ядро 1984, п. 496–497.
  20. ^ а б Манхэттенский округ 1947, п. 5.32.
  21. ^ Манхэттенский округ 1947, стр. 4.10–4.9.
  22. ^ Манхэттенский округ 1947, стр. 3.18–3.21.
  23. ^ "Зоны захоронения боеприпасов Моргантаун, Западная Вирджиния". Агентство по охране окружающей среды США. Получено 1 апреля 2020.
  24. ^ Сенека, Рой (23 августа 2018 г.). «Агентство по охране окружающей среды исключает участок в Моргантауне, штат Вирджиния, из списка национальных приоритетов Суперфонда». Агентство по охране окружающей среды США. Получено 1 апреля 2020.
  25. ^ Манхэттенский округ 1947, стр. 4.16–4.21.
  26. ^ Манхэттенский округ 1947, стр. 4.22–4.24.
  27. ^ а б c Манхэттенский округ 1947, стр. S17 – S18.
  28. ^ Манхэттенский округ 1947, стр. S18 – S20.
  29. ^ Манхэттенский округ 1947, стр. S18-S20.
  30. ^ Манхэттенский округ 1947, стр. 3.1, 3.12.
  31. ^ «Отчет об исторической собственности - Завод по производству боеприпасов в Ньюпорте». Август 1984 г.. Получено 1 марта 2014.
  32. ^ Дж. У. (Билл) Моррис, Уильям П. Беббингтон, Роберт Г. Гарвин, Мал К. Шредер и У. К. Скоттен. «Тяжелая вода для участка реки Саванна» (PDF). Граждане за осведомленность о ядерных технологиях. Получено 1 марта 2014.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  33. ^ «Атомная история - Глава 13: Реакторы, топливо и подъем энергии (1955–1963)» (PDF). Сайт реки Саванна. Получено 1 марта 2014.

Рекомендации

  • Ядро, Эрл Л. (1984). История Мононгалии: двухсотлетняя история. Парсонс, Западная Вирджиния: полиграфическая компания McClain. ISBN  0-87012-465-X. OCLC  1217546.
  • Хьюлетт, Ричард Г.; Андерсон, Оскар Э. (1962). Новый мир, 1939–1946 гг. (PDF). Университетский парк: издательство Пенсильванского государственного университета. ISBN  0-520-07186-7. OCLC  637004643. Получено 26 марта 2013.
  • Хьюлетт, Ричард Дж .; 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. OCLC  3717478.
  • Джонс, Винсент (1985). Манхэттен: армия и атомная бомба (PDF). Вашингтон, округ Колумбия: Центр военной истории армии США. OCLC  10913875. Получено 25 августа 2013.
  • Манхэттенский округ (1947 г.). Проект P-9 (PDF). Вашингтон, округ Колумбия: Министерство энергетики США. Получено 1 марта 2014.
  • Уолтем, Крис (20 июня 2002 г.). Ранняя история тяжелой воды. Кафедра физики и астрономии Университета Британской Колумбии. arXiv:физика / 0206076.