Metalurgická laboratoř: Porovnání verzí
Vytvoření článku překladem z EN Wikipedie: 8. část, pracuje se |
Vytvoření článku překladem z EN Wikipedie: 9. část, pracuje se |
||
| Řádek 17: | Řádek 17: | ||
| počet zaměstnanců = 2008 (1944) |
| počet zaměstnanců = 2008 (1944) |
||
}} |
}} |
||
'''Metalurgická laboratoř''' (často zkráceně '''Met Lab''', anglicky ''Metallurgical Laboratory'') byla tajná vědecká laboratoř na [[Chicagská univerzita|Chicagské univerzitě]]. Byla založena v únoru 1942, původně za účelem studia a využití nově objeveného prvku [[plutonium|plutonia]], ale záhy se stala součástí nově vzniklého [[projekt Manhattan|projektu Manhattan]]. V roce 1944 v ní pracovalo přes 2000 vědců a techniků, šlo o jedno z nejvýznamnějších pracovišť projektu vůbec, a po tajné laboratoři v [[Los Alamos]] ( |
'''Metalurgická laboratoř''' (často zkráceně '''Met Lab''', anglicky ''Metallurgical Laboratory'') byla tajná vědecká laboratoř na [[Chicagská univerzita|Chicagské univerzitě]]. Byla založena v únoru 1942, původně za účelem studia a využití nově objeveného prvku [[plutonium|plutonia]], ale záhy se stala součástí nově vzniklého [[projekt Manhattan|projektu Manhattan]]. V roce 1944 v ní pracovalo přes 2000 vědců a techniků, šlo o jedno z nejvýznamnějších pracovišť projektu vůbec, a po tajné laboratoři v [[Los Alamos]] (kam byl v listopadu 1942 z Chicaga přesunut vývoj a konstrukce samotné [[jaderná zbraň|atomové bomby]]) jeho největší vědecko-výzkumná základna.<ref name="Compton" />{{Rp|page=82}} |
||
V srpnu 1942 laboratoř jako první chemicky oddělila vážitelný vzorek [[plutonium|plutonia]] a následně se proto zabývala výzkumem chemie a metalurgie plutonia. Ve spolupráci s firmou [[DuPont]] vyvinula první průmyslově využitelnou [[separační metody|metodu separace]] plutonia od uranu a zbytků štěpení, tzv. bismut fosfátový proces. Dále navrhla první [[jaderný reaktor|jaderné reaktory]] na světě. Ryze experimentální [[Chicago Pile-1]] ověřil proveditelnost řízené štěpné reakce (na tento experiment navazovali reaktory ''Chicago Pile-2'' a ''Chicago Pile-3''). Navrhla rovněž reaktory pro výrobu plutonia: [[grafitový reaktor X-10|reaktor X-10]] v [[Oak Ridge (Tennessee)|Oak Ridge]] (krycí označení '''Site X''') a již ryze produkční [[reaktor B|reaktory B, D a F]] v [[Hanford Site|Hanfordu]] ('''Site Y'''). |
V srpnu 1942 laboratoř jako první chemicky oddělila vážitelný vzorek [[plutonium|plutonia]] a následně se proto zabývala výzkumem chemie a metalurgie plutonia. Ve spolupráci s firmou [[DuPont]] vyvinula první průmyslově využitelnou [[separační metody|metodu separace]] plutonia od uranu a zbytků štěpení, tzv. bismut fosfátový proces. Dále navrhla první [[jaderný reaktor|jaderné reaktory]] na světě. Ryze experimentální [[Chicago Pile-1]] ověřil proveditelnost řízené štěpné reakce (na tento experiment navazovali reaktory ''Chicago Pile-2'' a ''Chicago Pile-3''). Navrhla rovněž reaktory pro výrobu plutonia: [[grafitový reaktor X-10|reaktor X-10]] v [[Oak Ridge (Tennessee)|Oak Ridge]] (krycí označení '''Site X''') a již ryze produkční [[reaktor B|reaktory B, D a F]] v [[Hanford Site|Hanfordu]] ('''Site Y'''). |
||
| Řádek 39: | Řádek 39: | ||
=== Týmy a personál === |
=== Týmy a personál === |
||
[[File:Arthur Compton and Martin D. Whitaker in 1946.jpg|thumb|[[Arthur Holly Compton|Arthur Compton]], šéf Metalurgické laboratoře a [[Martin D. Whitaker]], ředitel ''Clinton Laboratories'' v [[Oak Ridge (Tennessee)|Oak Ridge]].]] |
|||
Nové výzkumné pracoviště vzniklo v únoru 1942 a dostalo krycí název ''“Metallurgical Laboratory“'' neboli zkráceně ''“Met Lab“''. Chicagská univerzita skutečně uvažovala o založení výzkumného ústavu pro kovy (po válce tak učinila), takže vznik pracoviště s tímto názvem nevzbudil velkou pozornost. Comptonův plutoniový projekt se pak stal známým jako „Metalurgický projekt“. Laboratoř spravovala Chicagská univerzita na základě smlouvy s Úřadem pro vědecký výzkum a vývoj (OSRD: Office of Scientific Research and Development), který ji financoval. OSRD vznikla jako federální agentura v polovině roku 1941 (její ředitel [[Vannevar Bush]] se zodpovídal přímo prezidentovi) a nahradila výše popsanou instituci NDRC.<ref name="Compton" />{{Rp|page=82}} |
|||
Nové výzkumné pracoviště vzniklo v únoru 1942 a dostalo krycí název ''“Metallurgical Laboratory“'' neboli zkráceně ''“Met Lab“''. Chicagská univerzita skutečně uvažovala o založení výzkumného ústavu pro kovy (po válce tak učinila), takže vznik pracoviště s tímto názvem nevzbudil velkou pozornost. Comptonův plutoniový projekt se pak stal známým jako „Metalurgický projekt“. Laboratoř spravovala Chicagská univerzita na základě smlouvy s Úřadem pro vědecký výzkum a vývoj (OSRD: Office of Scientific Research and Development), který ji financoval. OSRD vznikla jako federální agentura v polovině roku 1941 (její ředitel [[Vannevar Bush]] se zodpovídal přímo prezidentovi) a nahradila výše popsanou instituci NDRC.<ref name="Compton" />{{Rp|page=82}} |
|||
Na Comptonově metalurgickém projektu, známém také jako „projekt Pile“ nebo „X-10“, se podílelo přes 5000 lidí v 70 výzkumných skupinách, z nichž asi 2000 pracovalo přímo metalurgické laboratoři v Chicago. Navzdory nabízeným dobrým platům byl nábor kvalifikovaných odborníků obtížný. O vědce, techniky a inženýry se ucházela konkurence z jiných projektů souvisejících s obranou a Chicago (tehdy po New Yorku druhé největší město v USA ) bylo ve srovnání s menšími univerzitními městy drahé.<ref name="Compton" />{{Rp|page=83}}<ref name="Jones" />{{Rp|page=636}}<ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=24–25}}<ref name="Manhattan 1947a" />{{Rp|page=S2–S5, 1.1.}} |
Na Comptonově metalurgickém projektu, známém také jako „projekt Pile“ nebo „X-10“, se podílelo přes 5000 lidí v celkem 70 výzkumných skupinách, z nichž asi 2000 pracovalo přímo v metalurgické laboratoři v Chicago. Navzdory nabízeným dobrým platům byl nábor kvalifikovaných odborníků obtížný. O vědce, techniky a inženýry se ucházela konkurence z jiných projektů souvisejících s obranou a Chicago (tehdy po New Yorku druhé největší město v USA ) bylo ve srovnání s menšími univerzitními městy drahé.<ref name="Compton" />{{Rp|page=83}}<ref name="Jones" />{{Rp|page=636}}<ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=24–25}}<ref name="Manhattan 1947a" />{{Rp|page=S2–S5, 1.1.}} |
||
V rámci projektu zpočátku mimo jiné existovaly tři fyzikální skupiny, které vedli [[Samuel King Allison]], italský fyzik [[Enrico Fermi]] (jeho tým postavil v Chicagu první zkušební jaderný reaktor na světě [[Chicago Pile-1]]) a [[Martin D. Whitaker]]. Chemické oddělení vedl kanadský chemik [[Frank Spedding]], později ho vystřídal [[Herbert McCoy]] a poté německý fyzik [[James Franck]]. V červnu 1942 Compton pověřil vedením konstrukce bomby [[Robert Oppenheimer|Roberta Oppenheimera]]. V |
V rámci projektu zpočátku mimo jiné existovaly tři fyzikální skupiny, které vedli [[Samuel King Allison]], italský fyzik [[Enrico Fermi]] (jeho tým postavil v Chicagu první zkušební jaderný reaktor na světě [[Chicago Pile-1]]) a [[Martin D. Whitaker]]. Chemické oddělení vedl kanadský chemik [[Frank Spedding]], později ho vystřídal [[Herbert McCoy]] a poté německý fyzik [[James Franck]]. V červnu 1942 Compton pověřil vedením konstrukce bomby [[Robert Oppenheimer|Roberta Oppenheimera]]. V listopadu 1942 se z něj stal samostatný projekt, známý jako '''Projekt Y''', který byl celý přesunut do nově vzniklého tajného města [[Los Alamos]] v Novém Mexiku (před příchodem vědců zde existovala jen malá ''Los Alamos Ranch School'').<ref name="Compton" />{{Rp|page=82, 127–131}} |
||
V srpnu 1942 oficiálně vznikl [[projekt Manhattan]], jeho řízení převzala armáda a byly do něj postupně soustředěny všechny výzkumné, vývojové i výrobní aktivity, které jakkoli souvisely s vývojem atomové bomby, výrobou štěpného materiálu nebo dalšími potřebnými technologiemi. Od 17. února 1943 se přímým nadřízeným Arthura Comptona stal generál [[Leslie Groves]] (šéf celého projektu Manhattan) a od května téhož roku armáda kompletně převzala financování a řízení laboratoře (předtím byla Met Lab podřízena sekci S-1 v rámci federální agentury OSRD).<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=2.1.}}<ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=21–22}} |
V srpnu 1942 oficiálně vznikl [[projekt Manhattan]], jeho řízení převzala armáda a byly do něj postupně soustředěny všechny výzkumné, vývojové i výrobní aktivity, které jakkoli souvisely s vývojem atomové bomby, výrobou štěpného materiálu nebo dalšími potřebnými technologiemi. Od 17. února 1943 se přímým nadřízeným Arthura Comptona stal generál [[Leslie Groves]] (šéf celého projektu Manhattan) a od května téhož roku armáda kompletně převzala financování a řízení laboratoře (předtím byla Met Lab podřízena sekci S-1 v rámci federální agentury OSRD).<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=2.1.}}<ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=21–22}} |
||
| Řádek 54: | Řádek 55: | ||
Chicagská univerzita rovněž poskytla [[projekt Manhattan|projektu Manhattan]] pozemek na kterém byly tenisové kurty, za symbolický pronájem jednoho dolaru pro výstavbu nové budovy pro chemiky. Firma Stone a Webster zahájila práce v září 1942 a v prosinci byla budova dokončena. Brzy se ukázalo, že je příliš malá, proto k pronájmu byl přidán přilehlý pozemek na němž byla postavena přístavba o větší rozloze než původní budova (dokončena v listopadu 1943). Poté byly provedeny rozsáhlé práce na ventilačním systému, aby laboratoř mohla bezpečněji pracovat s plutoniem.<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=2.7–2.8}} |
Chicagská univerzita rovněž poskytla [[projekt Manhattan|projektu Manhattan]] pozemek na kterém byly tenisové kurty, za symbolický pronájem jednoho dolaru pro výstavbu nové budovy pro chemiky. Firma Stone a Webster zahájila práce v září 1942 a v prosinci byla budova dokončena. Brzy se ukázalo, že je příliš malá, proto k pronájmu byl přidán přilehlý pozemek na němž byla postavena přístavba o větší rozloze než původní budova (dokončena v listopadu 1943). Poté byly provedeny rozsáhlé práce na ventilačním systému, aby laboratoř mohla bezpečněji pracovat s plutoniem.<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=2.7–2.8}} |
||
[[File:Argonne Laboratory.jpg|thumb|Argonne Laboratory v lokalitě s krycím označení ''Site A''. Byly zde postaveny reaktory CP-2 a CP-3.]] |
|||
V dubnu 1943 byl dán k dispozici pozemek s ledárnou a stájemi ve vlastnictví univerzity v Chicagu, který dostal krycí označení '''Site B'''. Byl přestavěn tak, aby poskytl skoro 6 tisíc metrů čtverečních laboratoři a dílnám pro zdravotnickou a metalurgickou skupinu. V březnu 1944 byla od státu Illinois pronajata 124. polní dělostřelecká zbrojnice, aby poskytla další prostory, a bylo postaveno nebo pronajato dalších asi 33 000 metrů čtverečních prostor za 2 miliony dolarů (přes 33 miliónů v cenách roku 2023).<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=2.7–2.8}} |
V dubnu 1943 byl dán k dispozici pozemek s ledárnou a stájemi ve vlastnictví univerzity v Chicagu, který dostal krycí označení '''Site B'''. Byl přestavěn tak, aby poskytl skoro 6 tisíc metrů čtverečních laboratoři a dílnám pro zdravotnickou a metalurgickou skupinu. V březnu 1944 byla od státu Illinois pronajata 124. polní dělostřelecká zbrojnice, aby poskytla další prostory, a bylo postaveno nebo pronajato dalších asi 33 000 metrů čtverečních prostor za 2 miliony dolarů (přes 33 miliónů v cenách roku 2023).<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=2.7–2.8}} |
||
| Řádek 63: | Řádek 65: | ||
{{Podrobně|Chicago Pile-1}} |
{{Podrobně|Chicago Pile-1}} |
||
[[File:Stagg_Field_reactor.jpg|thumb|Kresba přibližné podoby prvního reaktoru na stadiónu Stagg Field (z důvodu utajení nebyly pořízeny žádné fotografie).]] |
|||
Jednoduchou konstrukci ryze experimentálního reaktoru, jehož cílem bylo pouze ověřit proveditelnost řízené jaderné reakce, navrhl italský fyzik [[Enrico Fermi]] se svými spolupracovníky. Aktivní zónu tvořilo velké množství ultračistých grafitových cihel, kde uprostřed byly umístěn uran, střídavě s dalšími grafitovými cihlami. Původně se reaktor měl stavět již v nové lokalitě mimo Chicago (''Site A'') popsané výše. Výstavba nového centra v Argonne se ale opozdila kvůli potížím firmy Stone & Webster s náborem kvalifikovaných pracovníků a získáním potřebných stavebních materiálů. |
|||
[[File:HD.5A.013 (10692501095).jpg|thumb|Stagg Field, University of Chicago, fotbalový stadion byl zbořen v roce 1957.]] |
|||
Jednoduchou konstrukci ryze experimentálního reaktoru, jehož cílem bylo pouze ověřit proveditelnost řízené jaderné reakce, navrhl italský fyzik [[Enrico Fermi]] se svými spolupracovníky. Aktivní zónu tvořilo velké množství ultračistých grafitových cihel, kde uprostřed byly umístěn uran, střídavě s dalšími grafitovými cihlami. Původně se reaktor měl stavět již v nové lokalitě mimo Chicago (''Site A'') popsané výše. Výstavba nového centra v Argonne se ale opozdila kvůli potížím firmy Stone & Webster s náborem kvalifikovaných pracovníků a získáním potřebných stavebních materiálů.<ref name="Anderson" />{{Rp|page=91}}<ref name="Rhodes" />{{Rp|page=429}} |
|||
Compton proto schválil Fermiho návrh postavit reaktor pod tribunami na stadionu Stagg Field. Budování reaktoru začalo 16. listopadem 1942. Práce probíhaly nepřetržitě ve dvanáctihodinových směnách, které vedli Herbert L. Anderson a Walter Zinn, stavby se jinak účastnil převážně neproškolený personál. Velkou část manuální práce provedli hráči místního univerzitního fotbalového týmu, kteří v rámci kondičního tréninku jednoduše donesli grafitové cihly na místo. |
Compton proto schválil Fermiho návrh postavit reaktor pod tribunami na stadionu Stagg Field. Budování reaktoru začalo 16. listopadem 1942. Práce probíhaly nepřetržitě ve dvanáctihodinových směnách, které vedli Herbert L. Anderson a Walter Zinn, stavby se jinak účastnil převážně neproškolený personál. Velkou část manuální práce provedli hráči místního univerzitního fotbalového týmu, kteří v rámci kondičního tréninku jednoduše donesli grafitové cihly na místo.<ref name="Compton" />{{Rp|page=136–137}}<ref name="Rhodes" />{{Rp|page=433}}<ref name="Anderson" />{{Rp|page=91–92}} |
||
Po dokončení konstrukce z dřevěných trámů vysoká asi 6 metrů obsahovala přibližně 5,4 tuny kovového uranu, 45 tun oxidu uranu a 360 tun grafitu, přičemž náklady se odhadují na 2,7 miliónu dolarů. Dne 2. prosince 1942 bylo dosaženo první řízené jaderné reakce při výkonu asi 0,5 Wattu, po několika minutách automatický systém štěpnou reakci zastavil. Dne 12. prosince 1942 byl reaktoru znovu spuštěn a výkon zvýšen až na 200 Wattů. Vzhledem k absenci jakéhokoli stínění reaktor představoval radiační nebezpečí nejen pro účastníky experimentu, ale také pro okolí. Proto se ve zkouškách pokračovalo opět jen s výkonem 0,5 Wattu. |
Po dokončení konstrukce z dřevěných trámů vysoká asi 6 metrů obsahovala přibližně 5,4 tuny kovového uranu, 45 tun oxidu uranu a 360 tun grafitu, přičemž náklady se odhadují na 2,7 miliónu dolarů. Dne 2. prosince 1942 bylo dosaženo první řízené jaderné reakce při výkonu asi 0,5 Wattu, po několika minutách automatický systém štěpnou reakci zastavil.<ref name="CP-1 Goes Critical" /> Dne 12. prosince 1942 byl reaktoru znovu spuštěn a výkon zvýšen až na 200 Wattů. Vzhledem k absenci jakéhokoli stínění reaktor představoval radiační nebezpečí nejen pro účastníky experimentu, ale také pro okolí. Proto se ve zkouškách pokračovalo opět jen s výkonem 0,5 Wattu.<ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=16–17}}<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=3.9}} |
||
=== Chicago Pile-2 === |
=== Chicago Pile-2 === |
||
Počínaje 28. únorem 1943 proběhla demontáž prvního reaktoru CP-1 na stadionu v Chicagu a veškerý materiál byl převezen do mezitím dostavěného centra v Argonne, kde byl původní materiál použit na stavbu ''Chicago Pile-2'' (''CP-2''). Tento reaktor byl o něco větší (výška asi 7,6 metru a čtvercová základna 9,1 metru). Byl již obklopen betonovými stěnami o tloušťce přibližně 1,5 |
Počínaje 28. únorem 1943 proběhla demontáž prvního reaktoru CP-1 na stadionu v Chicagu a veškerý materiál byl převezen do mezitím dostavěného centra v Argonne, kde byl původní materiál použit na stavbu ''Chicago Pile-2'' (''CP-2'').<ref name="Reactors by Argonne" /><ref name="cp1anl2" /> Tento reaktor byl o něco větší (výška asi 7,6 metru a čtvercová základna 9,1 metru). Byl již obklopen betonovými stěnami o tloušťce přibližně 1,5 metru, které fungovaly jako radiační štít, na horní straně byl použít štít z olova o tloušťce 15 cm a ze dřeva o tloušťce 130 cm. Původní materiál byl doplněn o nový, takže reaktor obsahoval 47 tun uranu a 428 tun grafitu. Ani tento reaktor ještě neměl žádný chladicí systém, protože pracoval pouze při výkonu nejvýše několik kilowattů. Reaktor CP-2 byl uveden do provozu v březnu 1943.<ref name="Fermi" /><ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=23, 428}} |
||
=== Chicago Pile-3 === |
=== Chicago Pile-3 === |
||
[[File:Argonne history Chicago Pile-3.jpg|thumb|Reaktor Chicago Pile-3]] |
|||
Další reaktor, známý jako ''Chicago Pile-3'' (''CP-3''), byl postaven v Argonne v roce 1944. Zatímco reaktory CP-1 a CP-2 byly velmi podobné, tento byl zcela odlišný. Jednalo se o první reaktor na světě, který používal jako [[moderátor neutronů]] místo grafitu [[těžká voda|těžkou vodu]]. V době stavby CP-1 a CP-2 nebyla těžká voda ještě k dispozici, ale díky ''projektu P-9'' v rámci [[projekt Manhattan|projektu Manhattan]] se stala dostupnou ve velkém množství. |
|||
Další reaktor, známý jako ''Chicago Pile-3'' (''CP-3''), byl postaven v Argonne v roce 1944. Zatímco reaktory CP-1 a CP-2 byly velmi podobné, tento byl zcela odlišný. Jednalo se o první reaktor na světě, který používal jako [[moderátor neutronů]] místo grafitu [[těžká voda|těžkou vodu]]. V době stavby CP-1 a CP-2 nebyla těžká voda ještě k dispozici, ale díky ''projektu P-9'' v rámci [[projekt Manhattan|projektu Manhattan]] se stala dostupnou ve velkém množství.<ref name="Waltham" />{{Rp|page=8–9}} |
|||
Reaktor byla v podstatě velká hliníkovou nádrž o průměru 1,8 metru, která byla naplněna těžkou vodou o hmotnosti 5,9 tuny. Ve víku byly pravidelně rozmístěny otvory, kterými do těžké vody procházelo 121 uranových tyčí obalených hliníkem. Nádrž byla obklopena grafitovým neutronovým odražečem, který byl ještě obklopen olověným štítem a betonem. Stínění na horní straně reaktoru zajišťovaly vrstvy čtvercových odnímatelných cihel o straně 30 cm, složené z vrstev železa a masonitu (dřevovláknitá deska s vysokou hustotou). |
Reaktor byla v podstatě velká hliníkovou nádrž o průměru 1,8 metru, která byla naplněna těžkou vodou o hmotnosti 5,9 tuny. Ve víku byly pravidelně rozmístěny otvory, kterými do těžké vody procházelo 121 uranových tyčí obalených hliníkem. Nádrž byla obklopena grafitovým neutronovým odražečem, který byl ještě obklopen olověným štítem a betonem. Stínění na horní straně reaktoru zajišťovaly vrstvy čtvercových odnímatelných cihel o straně 30 cm, složené z vrstev železa a masonitu (dřevovláknitá deska s vysokou hustotou). |
||
Těžká voda byla chlazena výměníkem tepla, který používal běžnou vodu. Vedle běžných řídících tyčí pro kontrolu štěpné reakce zde byl i havarijní mechanismus pro vypuštění těžké vody do spodní nádrže. Stavba byla zahájena 1. ledna 1944. Reaktor byl poprvé spuštěn v květnu 1944 a plný výkon 300 kW byl dosažen v červenci 1944. Konstrukce reaktoru umožnila během války prakticky nepřetržitý provoz a současně usnadňovala provádění různých experimentů, včetně testů ke zkoumání vlastností izotopů (např.[[tritium|tritia]]) a určování záchytu neutronů u různých prvků a sloučenin, které by mohly být použity pro konstrukci budoucích reaktorů nebo se vyskytují jako nežádoucí příměsi. Reaktor se používal také ke zkouškám přístrojového vybavení, k experimentům pro stanovení tepelné stability materiálů a k výcviku obsluhy. |
Těžká voda byla chlazena výměníkem tepla, který používal běžnou vodu. Vedle běžných řídících tyčí pro kontrolu štěpné reakce zde byl i havarijní mechanismus pro vypuštění těžké vody do spodní nádrže. Stavba byla zahájena 1. ledna 1944. Reaktor byl poprvé spuštěn v květnu 1944 a plný výkon 300 kW byl dosažen v červenci 1944. Konstrukce reaktoru umožnila během války prakticky nepřetržitý provoz a současně usnadňovala provádění různých experimentů, včetně testů ke zkoumání vlastností izotopů (např.[[tritium|tritia]]) a určování záchytu neutronů u různých prvků a sloučenin, které by mohly být použity pro konstrukci budoucích reaktorů nebo se vyskytují jako nežádoucí příměsi. Reaktor se používal také ke zkouškám přístrojového vybavení, k experimentům pro stanovení tepelné stability materiálů a k výcviku obsluhy.<ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=26}}<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=3.13–3.14}}<ref name="Wattenberg" />{{Rp|page=173}} |
||
== Návrh a konstrukce produkčních reaktorů == |
== Návrh a konstrukce produkčních reaktorů == |
||
Reaktory Chicago Pile-1 až Chicago Pile-3 se postupně zdokonalovaly (a v případě CP-3 šlo o velmi odlišnou konstrukci), ale všechno to byly v zásadě experimentální reaktory. Hlavním úkolem však byl návrh a konstrukce ryze produkčních reaktorů, jež by používaly přírodní (neobohacený) uran, který bude využit pro výrobu [[plutonium-239|plutonia-239]], nezbytného pro plutoniovou verzi atomové bomby. Konstrukce reaktorů pro výrobu plutonia zahrnovala řadu problémů nejen v oblasti jaderné fyziky, ale i v inženýrství a konstrukci. |
Reaktory Chicago Pile-1 až Chicago Pile-3 se postupně zdokonalovaly (a v případě CP-3 šlo o velmi odlišnou konstrukci), ale všechno to byly v zásadě experimentální reaktory. Hlavním úkolem však byl návrh a konstrukce ryze produkčních reaktorů, jež by používaly přírodní (neobohacený) uran, který bude využit pro výrobu [[plutonium-239|plutonia-239]], nezbytného pro plutoniovou verzi atomové bomby. Konstrukce reaktorů pro výrobu plutonia zahrnovala řadu problémů nejen v oblasti jaderné fyziky, ale i v inženýrství a konstrukci.<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=2.6–2.7}} |
||
=== Homogenní × heterogenní konstrukce === |
=== Homogenní × heterogenní konstrukce === |
||
[[File:New Chemistry Building at the Metallurgical Laboratory.jpg|thumb|Nová budova chemického oddělení v univerzitním kampusu.]] |
|||
Otázkám jako je dlouhodobý vliv záření na různé materiály, věnovala metalurgická laboratoř značnou pozornost Uvažovalo se o dvou [[jaderný reaktor|typech reaktorů]]: homogenním, v němž byly moderátor a palivo smíchány dohromady, a heterogenním, v němž byly moderátor a palivo uspořádány do mřížkové konfigurace. Již koncem roku 1941 matematická analýza ukázala, že mřížková konstrukce má oproti homogennímu typu určité výhody, a proto byla zvolena jak pro Chicago Pile-1, tak pro pozdější výrobní reaktory. |
Otázkám jako je dlouhodobý vliv záření na různé materiály, věnovala metalurgická laboratoř značnou pozornost Uvažovalo se o dvou [[jaderný reaktor|typech reaktorů]]: homogenním, v němž byly moderátor a palivo smíchány dohromady, a heterogenním, v němž byly moderátor a palivo uspořádány do mřížkové konfigurace. Již koncem roku 1941 matematická analýza ukázala, že mřížková konstrukce má oproti homogennímu typu určité výhody, a proto byla zvolena jak pro Chicago Pile-1, tak pro pozdější výrobní reaktory. |
||
=== Volba moderátoru neutronů === |
=== Volba moderátoru neutronů === |
||
Dalším důležitým rozhodnutím byla volba [[moderátor neutronů|moderátoru neutronů]]. Byl zvolen ultračistý [[grafit]] především na základě jeho dostupnosti ve srovnání s [[beryllium|berylliem]] nebo [[těžká voda|těžkou vodou]] (použitelnost těžké vody jako moderátoru byla ověřena v experimentálním reaktoru Chicago Pile-3, jak bylo popsáno výše). |
Dalším důležitým rozhodnutím byla volba [[moderátor neutronů|moderátoru neutronů]]. Byl zvolen ultračistý [[grafit]] především na základě jeho dostupnosti ve srovnání s [[beryllium|berylliem]] nebo [[těžká voda|těžkou vodou]] (použitelnost těžké vody jako moderátoru byla ověřena v experimentálním reaktoru Chicago Pile-3, jak bylo popsáno výše).<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=2.9–2.11}} |
||
=== Výběr chladiva === |
=== Výběr chladiva === |
||
Rozhodnutí jaké použít [[chladivo]] |
Rozhodnutí jaké použít [[chladivo]] vyvolalo rovněž rozsáhlé debaty. Metalurgická laboratoř nejprve navrhla [[helium]], protože mohlo sloužit jako chladivo a současně také jako moderátor neutronů. Obtíže spojené s jeho použitím však byly nepřehlédnutelné byly . Bylo by zapotřebí velké množství hélia, muselo by být velmi čisté (bez příměsí pohlcujících neutrony). K cirkulaci plynu v reaktoru by byla zapotřebí speciální dmychadla a musel by se vyřešit problém úniku radioaktivních plynů. Žádný z těchto problémů však nebyl považován za nepřekonatelný. Rozhodnutí použít helium bylo sděleno společnosti [[DuPont]], která byla odpovědná za stavbu výrobních reaktorů, a ta toto rozhodnutí zpočátku přijala.<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=3.14–3.15}} |
||
Počátkem roku 1943 [[Eugene Paul Wigner]] a jeho teoretická skupina (kterou tvořili Alvin Weinberg, Katharine Way, Leo Ohlinger, Gale Young a Edward Creutz), vypracovali návrh výrobního reaktoru s vodním chlazením. Volba vody jako chladiva byla kontroverzní, protože bylo známo, že pohlcuje neutrony, čímž snižuje účinnost reaktoru, ale Wigner byl přesvědčen, že výpočty jeho skupiny jsou správné a že s čistším grafitem a uranem, které byly nyní k dispozici, bude voda fungovat, zatímco technické obtíže spojené s použitím helia jako chladiva by projekt zpozdily. |
Počátkem roku 1943 [[Eugene Paul Wigner]] a jeho teoretická skupina (kterou tvořili Alvin Weinberg, Katharine Way, Leo Ohlinger, Gale Young a Edward Creutz), vypracovali návrh výrobního reaktoru s vodním chlazením. Volba vody jako chladiva byla kontroverzní, protože bylo známo, že pohlcuje neutrony, čímž snižuje účinnost reaktoru, ale Wigner byl přesvědčen, že výpočty jeho skupiny jsou správné a že s čistším grafitem a uranem, které byly nyní k dispozici, bude voda fungovat, zatímco technické obtíže spojené s použitím helia jako chladiva by projekt zpozdily.<ref name="Szanton" />{{Rp|page=217–218}}<ref name="Weinberg" />{{Rp|page=22–24}} |
||
Návrh |
Návrh reaktoru s vodním chlazením dále zahrnoval použití tenké vrstvy hliníku, která chránila uran před korozí způsobenou chladicí vodou. Válcovité uranové články s hliníkovým pláštěm by procházely kanály skrz reaktor do chladicího jezírka. Jakmile by se radioaktivita článků dostatečně snížila, byly by odvezeny do separační továrny, kde by došlo k oddělení plutonia od všech ostatních složek. Po přezkoumání obou návrhů se inženýři společnosti DuPont rozhodli pro chlazení vodou. Až v roce 1959 byl na tento návrh reaktoru vydán patent na jména Creutz, Ohlinger, Weinberg, Wigner a Young.<ref name="bio" /><ref name="Compton" />{{Rp|page=167}}<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=3.16}} |
||
=== Řešení dalších problémů === |
=== Řešení dalších problémů === |
||
Metalurgická laboratoř dále testovala různé přísady do vody, aby prověřila jejich účinek. Zjistilo se, výše popsaná koroze se minimalizuje, když je voda mírně kyselá, proto byla do vody přidána zředěná kyselina sírová, aby voda měla pH 6,5. Do vody byly přidávány i další přísady, jako křemičitan sodný, dichroman sodný a kyselina šťavelová, aby se zabránilo tvorbě povlaku, který by mohl bránit cirkulaci chladicí vody. |
Metalurgická laboratoř dále testovala různé přísady do vody, aby prověřila jejich účinek. Zjistilo se, výše popsaná koroze se minimalizuje, když je voda mírně kyselá, proto byla do vody přidána zředěná kyselina sírová, aby voda měla [[pH]] 6,5. Do vody byly přidávány i další přísady, jako křemičitan sodný, dichroman sodný a kyselina šťavelová, aby se zabránilo tvorbě usazenin a povlaku, který by mohl bránit cirkulaci chladicí vody.<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=4.5–4.7}} |
||
Použití hliníku na povrchu palivových článků nejen chránilo kovový uran před korozí při při kontaktu s vodou, ale také bránilo úniku plynných radioaktivních štěpných produktů, které by mohly vznikat při jejich ozařování. Hliník byl zvolen proto, že plášť musel propouštět teplo a současně nesměl absorbovat příliš mnoho neutronů. Výrobě palivových článků a jejich ochraně hliníkem byla věnována velká pozornost, protože jakékoliv jejich poškození by mohlo ucpat nebo poškodit kanály pro jejich zasunutí reaktoru. Metalurgická laboratoř proto detailně zkoumala všechny výrobní postupy a prováděla řadu různých zkoušek.<ref name="Smyth" />{{Rp|page=146–147}}<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=4.5–4.7}} |
|||
Důležitá oblast výzkumu se týkala tzv. ''Wignerova efektu''. Při bombardování palivových článků neutrony dochází také k poškozování okolních materiálů. V případě kovů to může vést k jejich zkřehnutí a tím významnému omezení životnosti reaktorové nádoby. Ukázalo se, že grafitové bloky používané jako moderátor neutronů jsou obzvláště citlivé na tento efekt: atomy uhlíku v grafitu jsou vyraženy z jeho krystalické struktury, což v průběhu času způsobuje zahřívání a hlavně bobtnání grafitu. Zkoumání tohoto problému trvalo velmi dlouho a až ke konci roku 1946 se podařilo najít uspokojivé řešení. |
|||
Důležitá oblast výzkumu se týkala tzv. ''Wignerova efektu''.<ref name="Wigner" /> Při bombardování palivových článků neutrony dochází také k poškozování okolních materiálů. V případě kovů to může vést k jejich zkřehnutí a tím významnému omezení životnosti reaktorové nádoby. Ukázalo se, že grafitové bloky používané jako moderátor neutronů jsou obzvláště citlivé na tento efekt: atomy uhlíku v grafitu jsou vyraženy z jeho krystalické struktury, což v průběhu času způsobuje zahřívání a hlavně bobtnání grafitu. Zkoumání tohoto problému trvalo velmi dlouho a až ke konci roku 1946 se podařilo najít uspokojivé řešení.<ref name="Manhattan 1947b" />{{Rp|page=5.1–5.2}}<ref name="Hansen" />{{Rp|page=213–215}} |
|||
== Chemie a metalurgie == |
== Chemie a metalurgie == |
||
[[File:Laboratory - New Chemistry Building.jpg|thumb|right|Laboratoř v nové budově chemického oddělení.]] |
|||
Důležitou součástí výzkumných a vývojových aktivit laboratoře byly různé chemické a metalurgické procesy, které byly pro úspěšnou konstrukci jaderných reaktorů a separačních továren nezbytné. Metalurgické práce se soustředily zejména na uran a plutonium. Přestože [[uran (prvek)|uran]] byl v té době znám již více než sto let, o jeho fyzikálních a chemických vlastnostech se vědělo jen málo, o čemž svědčí i skutečnost, že v odborné literatuře se jeho uváděná teplota tání lišila o téměř 280 °C. |
Důležitou součástí výzkumných a vývojových aktivit laboratoře byly různé chemické a metalurgické procesy, které byly pro úspěšnou konstrukci jaderných reaktorů a separačních továren nezbytné. Metalurgické práce se soustředily zejména na uran a plutonium. Přestože [[uran (prvek)|uran]] byl v té době znám již více než sto let, o jeho fyzikálních a chemických vlastnostech se vědělo jen málo, o čemž svědčí i skutečnost, že v odborné literatuře se jeho uváděná teplota tání lišila o téměř 280 °C. |
||
=== Metalurgie uranu a plutonia === |
=== Metalurgie uranu a plutonia === |
||
Vlastnosti uranu zkoumal hlavně tým, který vedl americký fyzik [[Edward Creutz]]. Při správném rozsahu teplot lze uran kovat, válcovat a tahat do tyčí, které vyžaduje konstrukce výrobního reaktoru. Tým zjistil i z hlediska výrobních procesů negativní vlastnosti, např. při řezání uranu mohou jeho třísky vzplanout. Metalurgická laboratoř také vyvinula (ve spolupráci se společnostmi [[Alcoa]] a [[General Electric]]) metodu vytvoření ochranného hliníkového pláště pro palivové články, která byla potřebná kvůli korozi, jak bylo zmíněno výše. |
Vlastnosti uranu zkoumal hlavně tým, který vedl americký fyzik [[Edward Creutz]]. Při správném rozsahu teplot lze uran kovat, válcovat a tahat do tyčí, které vyžaduje konstrukce výrobního reaktoru. Tým zjistil i z hlediska výrobních procesů negativní vlastnosti, např. při řezání uranu mohou jeho třísky vzplanout. Metalurgická laboratoř také vyvinula (ve spolupráci se společnostmi [[Alcoa]] a [[General Electric]]) metodu vytvoření ochranného hliníkového pláště pro palivové články, která byla potřebná kvůli korozi, jak bylo zmíněno výše.<ref name="Compton" />{{Rp|page=175}} |
||
Metalurgická laboratoř byl pod velkým tlakem, aby získala dostatečný zdroj zpracovaného uranu. Proto se Compton, Spedding a Hilberry v dubnu 1942 sešli s Edwardem Mallinckrodtem v sídle jeho chemické společnosti v St. Louis ve státě Missouri. Jeho společnost vymyslela a zavedla novou techniku zpracování uranu, do poloviny května 1942 předložila úspěšné zkušební vzorky uranu, do začátku prosince 1942 dodala uran potřebný pro stavbu prvního experimentálního reaktoru [[Chicago Pile-1]] a ještě před podpisem smlouvy dodala celou objednávku na prvních šedesát tun. |
Metalurgická laboratoř byl pod velkým tlakem, aby získala dostatečný zdroj zpracovaného uranu. Proto se Compton, Spedding a Hilberry v dubnu 1942 sešli s Edwardem Mallinckrodtem v sídle jeho chemické společnosti v St. Louis ve státě Missouri. Jeho společnost vymyslela a zavedla novou techniku zpracování uranu, do poloviny května 1942 předložila úspěšné zkušební vzorky uranu, do začátku prosince 1942 dodala uran potřebný pro stavbu prvního experimentálního reaktoru [[Chicago Pile-1]] a ještě před podpisem smlouvy dodala celou objednávku na prvních šedesát tun.<ref name="Mallinckrodt" /> |
||
Metalurgie [[plutonium|plutonia]] pak byla zcela neznámá, protože tento prvek byl objeven teprve krátce před vznikem projektu Manhattan. Poprvé bylo plutonium připraveno v roce 1940 při bombardování uranu neutrony. První vážitelné množství čistého plutonia bylo izolováno ještě o něco později, zasloužil se o to [[Glenn Seaborg|Seaborgův]] tým v Jonesově laboratoři. Dokud nebyly k dispozici reaktory navržené právě metalurgickou laboratoří, vyráběla se nepatrná (mikrogramová) množství plutonia v cyklotronu na Washingtonově univerzitě v St. Louis. |
Metalurgie [[plutonium|plutonia]] pak byla zcela neznámá, protože tento prvek byl objeven teprve krátce před vznikem projektu Manhattan. Poprvé bylo plutonium připraveno v roce 1940 při bombardování uranu neutrony. První vážitelné množství čistého plutonia bylo izolováno ještě o něco později, zasloužil se o to [[Glenn Seaborg|Seaborgův]] tým v Jonesově laboratoři.<ref name = "Seaborg" /> Dokud nebyly k dispozici reaktory navržené právě metalurgickou laboratoří, vyráběla se nepatrná (mikrogramová) množství plutonia v cyklotronu na Washingtonově univerzitě v St. Louis.<ref name="Compton" />{{Rp|page=176}}<ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=14, 26}} |
||
=== Chemická separace plutonia === |
=== Chemická separace plutonia === |
||
[[File:HD.4A.132_(10405868435).jpg|thumb|První ze tří továren na separaci plutonia v [[Hanford Site]] (budova 221-T) během výstavy.]] |
|||
K výrobě plutonia z přírodního (neobohaceného) uranu sloužily ještě převážně experimentální [[grafitový reaktor X-10|reaktor X-10]] v lokalitě [[Oak Ridge (Tennessee)|Oak Ridge]] ve státě Tennessee a již ryze produkční [[reaktor B|reaktory B, D a F]] v nové lokalitě [[Hanford Site]] ve státě Washington. Stejné důležité jako návrh těchto reaktorů bylo i vytvoření [[separační metody|metody separace]] plutonia od uranu a zbytků štěpení vzniklých v těchto reaktorech, která by byla použitelná v průmyslovém měřítku. |
|||
K výrobě plutonia z přírodního (neobohaceného) uranu sloužily ještě převážně experimentální [[grafitový reaktor X-10|reaktor X-10]] v lokalitě [[Oak Ridge (Tennessee)|Oak Ridge]] ve státě Tennessee a již ryze produkční [[reaktor B|reaktory B, D a F]] v nové lokalitě [[Hanford Site]] ve státě Washington. Stejné důležité jako návrh těchto reaktorů bylo i vytvoření [[separační metody|metody separace]] plutonia od uranu a zbytků štěpení vzniklých v těchto reaktorech, která by byla použitelná v průmyslovém měřítku.<ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=26}} |
|||
Tuto metodu, tzv. bismut fosfátový proces, vyvinula metalurgická laboratoř ve spolupráci s firmou [[DuPont]], která reaktory i separační továrny v Hanford Site postavila. Tato metoda se pak používala jako jediná metoda separace až do konce 40. let. V roce 1947 byly v Hanfordu zahájeny pokusy s novým procesem nazvaným REDOX, který byl účinnější. Výstavba nového zařízení REDOX byla zahájena v roce 1949 a provoz byl zahájen v lednu 1952. V roce 1952 byla proto také uzavřena první ze tří původních separačních továren postavených za druhé světové války. V roce 1956 pak byl otevřen PUREX, ještě účinnější separační továrna. |
Tuto metodu, tzv. bismut fosfátový proces, vyvinula metalurgická laboratoř ve spolupráci s firmou [[DuPont]], která reaktory i separační továrny v Hanford Site postavila. Tato metoda se pak používala jako jediná metoda separace až do konce 40. let. V roce 1947 byly v Hanfordu zahájeny pokusy s novým procesem nazvaným REDOX, který byl účinnější. Výstavba nového zařízení REDOX byla zahájena v roce 1949 a provoz byl zahájen v lednu 1952. V roce 1952 byla proto také uzavřena první ze tří původních separačních továren postavených za druhé světové války. V roce 1956 pak byl otevřen PUREX, ještě účinnější separační továrna.<ref name = "Gerber" /><ref name="Holl, Hewlett, Harris" />{{Rp|page=26}} |
||
== Odkazy == |
== Odkazy == |
||
| Řádek 271: | Řádek 281: | ||
| page = 32 |
| page = 32 |
||
| publisher = Educational Foundation For Nuclear Science |
| publisher = Educational Foundation For Nuclear Science |
||
}}</ref> |
|||
<ref name="CP-1 Goes Critical">{{cite web |
|||
| url = http://www.cfo.doe.gov/me70/manhattan/cp-1_critical.htm |
|||
| archive-url = https://web.archive.org/web/20101122183641/http://www.cfo.doe.gov/me70/manhattan/cp-1_critical.htm |
|||
| archive-date = 22 November 2010 |
|||
| title = CP-1 Goes Critical |
|||
| publisher = Department of Energy |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Reactors by Argonne">{{cite web |
|||
| date = 21 May 2013 |
|||
| title = Reactors Designed by Argonne National Laboratory: Chicago Pile 1 |
|||
| url = http://www.ne.anl.gov/About/reactors/early-reactors.shtml |
|||
| publisher= Argonne National Laboratory |
|||
| access-date=26 July 2013 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="cp1anl2"> |
|||
{{cite web |
|||
| date = 10 July 2012 |
|||
| url = http://www.ne.anl.gov/About/legacy/probo.shtml |
|||
| title = Atoms Forge a Scientific Revolution |
|||
| publisher = Argonne National Laboratory |
|||
| access-date = 26 July 2013 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Fermi">{{cite journal |
|||
| last = Fermi |
|||
| first = Enrico |
|||
| title = The Development of the first chain reaction pile |
|||
| journal = [[Proceedings of the American Philosophical Society]] |
|||
| year = 1946 |
|||
| volume = 90 |
|||
| issue = 1 |
|||
| pages = 20–24 |
|||
| jstor = 3301034 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Waltham">{{cite book |
|||
| last = Waltham |
|||
| first = Chris |
|||
| title = An Early History of Heavy Water |
|||
| pages = physics/0206076 |
|||
| publisher = Department of Physics and Astronomy, University of British Columbia |
|||
| date = 20 June 2002 |
|||
| location = Vancouver, British Columbia |
|||
| arxiv = physics/0206076 |
|||
| bibcode = 2002physics...6076W |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Wattenberg">{{cite book |
|||
| last = Wattenberg |
|||
| first = Albert |
|||
| author-link = Albert Wattenberg |
|||
| contribution = Present at Creation |
|||
| pages = 105–123 |
|||
| editor-first = Jane |
|||
| editor-last = Wilson |
|||
| title = All In Our Time: The Reminiscences of Twelve Nuclear Pioneers |
|||
| location = Chicago, Illinois |
|||
| year = 1975 |
|||
| publisher = Bulletin of the Atomic Scientists |
|||
| oclc = 1982052 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Szanton">{{cite book |
|||
| last = Szanton |
|||
| first = Andrew |
|||
| author-link = Andrew Szanton |
|||
| title = The Recollections of Eugene P. Wigner |
|||
| location = New York, New York |
|||
| publisher = Plenum |
|||
| year = 1992 |
|||
| isbn = 978-0-306-44326-8 |
|||
| oclc = 612245667 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Weinberg">{{Cite journal |
|||
| last = Weinberg |
|||
| first = Alvin |
|||
| author-link = Alvin Weinberg |
|||
| title = The First Nuclear Era: The Life and Times of a Technological Fixer |
|||
| journal = Physics Today |
|||
| volume = 48 |
|||
| issue = 10 |
|||
| pages = 63–64 |
|||
| year = 1994 |
|||
| isbn = 978-1-56396-358-2 |
|||
| oclc = 925205784 |
|||
| bibcode = 1995PhT....48j..63W |
|||
| doi = 10.1063/1.2808209 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="bio">{{cite book |
|||
| title = Edward Chester Creutz 1913–2009 |
|||
| url = http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/creutz-edward.pdf |
|||
| publisher = [[National Academy of Sciences]] |
|||
| year = 2010 |
|||
| location = Washington, D.C. |
|||
| first1 = George |
|||
| last1 = Hinman |
|||
| first2 = David |
|||
| last2 = Rose |
|||
| series = Biographical Memoirs |
|||
| access-date = 6 March 2016 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Smyth">{{cite book |
|||
| last = Smyth |
|||
| first = Henry DeWolf |
|||
| author-link = Henry DeWolf Smyth |
|||
| url = https://books.google.com/books?id=gp2aAAAAIAAJ |
|||
| title = Atomic Energy for Military Purposes; the Official Report on the Development of the Atomic Bomb under the Auspices of the United States Government, 1940–1945 |
|||
| location = Princeton, New Jersey |
|||
| publisher = Princeton University Press |
|||
| year = 1945 |
|||
| isbn = 978-0-8047-1722-9 |
|||
| oclc = 265919046 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Wigner">{{cite journal |
|||
| doi = 10.1063/1.1707653 |
|||
| title = Theoretical Physics in the Metallurgical Laboratory of Chicago |
|||
| year = 1946 |
|||
| last1 = Wigner |
|||
| first1 = E. P. |
|||
| author-link = Eugene Wigner |
|||
| journal = Journal of Applied Physics |
|||
| volume = 17 |
|||
| issue = 11 |
|||
| pages = 857–863 |
|||
| bibcode = 1946JAP....17..857W |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Hansen">{{cite book |
|||
| last = Hansen |
|||
| first = Chuck |
|||
| author-link = Chuck Hansen |
|||
| series = Swords of Armageddon: US Nuclear Weapons Development since 1945 |
|||
| title = Volume I: The Development of US Nuclear Weapons |
|||
| location = Sunnyvale, California |
|||
| publisher = Chukelea Publications |
|||
| year = 1995 |
|||
| isbn = 978-0-9791915-1-0 |
|||
| oclc = 231585284 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Mallinckrodt">{{cite web |
|||
| title = The Mallinckrodt Chemical Works Story |
|||
| url = https://www.atomicheritage.org/sites/default/files/resources/The%20Mallinckrodt%20Chemical%20Works%20Story.pdf |
|||
| website = atomic heritage |
|||
| publisher = Mallincrkodt Chemical (1962) |
|||
| access-date = 8 March 2020 |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Seaborg">{{cite book |
|||
| title = History of MET Lab Section C-I, April 1942 – April 1943 |
|||
| publisher = University of California, Berkeley Lawrence Berkeley Laboratory |
|||
| doi = 10.2172/7110621 |
|||
| author-link = Glenn T. Seaborg |
|||
| year = 1977 |
|||
| last1 = Seaborg |
|||
| first1 = G.T. |
|||
| url = https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1414500/ |
|||
| doi-access = free |
|||
}}</ref> |
|||
<ref name="Gerber">{{cite book |
|||
| last = Gerber |
|||
| first = Michele |
|||
| title = Plutonium Production Story at the Hanford Site: Processes and Facilities History |
|||
| date = June 1996 |
|||
| id = HC-MR-0521 |
|||
| location = Washington, D.C. |
|||
| oclc = 68435718 |
|||
| publisher = United States Department of Energy |
|||
| page = 4.10 |
|||
| url = https://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/664389-jAx4J1/webviewable/PlutoniumproductionstoryattheHanfordsite:processesandfacilitieshistory.pdf |
|||
| access-date = 17 April 2017 |
|||
}}</ref> |
}}</ref> |
||
| Řádek 300: | Řádek 490: | ||
| isbn = 978-0-671-44133-3 |
| isbn = 978-0-671-44133-3 |
||
| oclc = 883475036 |
| oclc = 883475036 |
||
}} |
|||
*{{Cite journal |
|||
| last = Weinberg |
|||
| first = Alvin |
|||
| author-link = Alvin Weinberg |
|||
| title = The First Nuclear Era: The Life and Times of a Technological Fixer |
|||
| journal = Physics Today |
|||
| volume = 48 |
|||
| issue = 10 |
|||
| pages = 63–64 |
|||
| year = 1994 |
|||
| isbn = 978-1-56396-358-2 |
|||
| oclc = 925205784 |
|||
| bibcode = 1995PhT....48j..63W |
|||
| doi = 10.1063/1.2808209 |
|||
}} |
}} |
||
Všechny knihy uvedené v sekci Literatura jsou dostupné ve vybraných českých knihovnách. |
Všechny knihy/publikace uvedené v sekci Literatura jsou dostupné ve vybraných českých knihovnách. |
||
=== Související články === |
=== Související články === |
||
Verze z 18. 11. 2023, 19:29
| Metalurgická laboratoř | |
|---|---|
 Eckhart Hall na Chicagské univerzitě byla administrativním sídlem laboratoře | |
| Zkratka | Met Lab |
| Nástupce | Argonne National Laboratory (ANL) |
| Zakladatel | Office of Scientific Research and Development |
| Vznik | 1942-02 |
| Zánik | 1946-07-01 (→ ANL) |
| Typ | tajná výzkumná laboratoř |
| Účel | Projekt Manhattan |
| Sídlo | Chicago, Illinois, USA |
| Souřadnice | 41°47′21,84″ s. š., 87°35′57,84″ z. d. |
| Ředitel | Richard L. Doan Samuel K. Allison Joyce C. Stearns Farrington Daniels |
| Klíčové osoby | nositelé Nobelovy ceny: Arthur Compton Enrico Fermi James Franck Glenn Seaborg Eugene Wigner |
| Přidružení | Chicagská univerzita |
| Počet zaměstnanců | 2008 (1944) |
 | |
| Některá data mohou pocházet z datové položky. | |
Metalurgická laboratoř (často zkráceně Met Lab, anglicky Metallurgical Laboratory) byla tajná vědecká laboratoř na Chicagské univerzitě. Byla založena v únoru 1942, původně za účelem studia a využití nově objeveného prvku plutonia, ale záhy se stala součástí nově vzniklého projektu Manhattan. V roce 1944 v ní pracovalo přes 2000 vědců a techniků, šlo o jedno z nejvýznamnějších pracovišť projektu vůbec, a po tajné laboratoři v Los Alamos (kam byl v listopadu 1942 z Chicaga přesunut vývoj a konstrukce samotné atomové bomby) jeho největší vědecko-výzkumná základna.[1]:s.82
V srpnu 1942 laboratoř jako první chemicky oddělila vážitelný vzorek plutonia a následně se proto zabývala výzkumem chemie a metalurgie plutonia. Ve spolupráci s firmou DuPont vyvinula první průmyslově využitelnou metodu separace plutonia od uranu a zbytků štěpení, tzv. bismut fosfátový proces. Dále navrhla první jaderné reaktory na světě. Ryze experimentální Chicago Pile-1 ověřil proveditelnost řízené štěpné reakce (na tento experiment navazovali reaktory Chicago Pile-2 a Chicago Pile-3). Navrhla rovněž reaktory pro výrobu plutonia: reaktor X-10 v Oak Ridge (krycí označení Site X) a již ryze produkční reaktory B, D a F v Hanfordu (Site Y).
V laboratoři pracovalo několik stávajících a budoucích nositelů Nobelovy ceny: Arthur Compton, Ital Enrico Fermi, Němec James Franck, Glenn Seaborg a Maďar Eugene Wigner. Met Lab byla 1. července 1946 převedena ze správy univerzity do sítě federálně financovaných národních laboratoří jako Argonne National Laboratory (dále sem patří např. Los Alamos National Laboratory nebo Oak Ridge National Laboratory). Práce Met Lab vedla také ke vzniku Institutu Enrica Fermiho (EFI: Enrico Fermi Institute) a Institutu Jamese Francka (JFI: James Franck Institute), oba tyto instituty zůstávají součástí univerzity.
Okolnosti vzniku tajné laboratoře
Objev jaderného štěpení uranu německými chemiky Otto Hahnem a Fritzem Strassmannem v prosinci 1938, který krátce poté pojmenovala, popsala a teoreticky vysvětlila Lise Meitnerová ve spolupráci s Otto Frischem otevřel možnost, že neutrony vzniklé štěpením mohou vytvořit řízenou řetězovou jadernou reakci. Na Kolumbijské univerzitě začali italský fyzik Enrico Fermi a maďarský fyzik Leó Szilárd zkoumat, jak by toho bylo možné dosáhnout.[2]:s.256–263[3]:s.8–10
V srpnu 1939 Szilárd vypracoval důvěrný dopis prezidentovi Spojených států Franklinu D. Rooseveltovi, v němž varoval před možností projektu německé jaderné zbraně, a přesvědčil svého starého přítele a spolupracovníka Alberta Einsteina, aby jej spolupodepsal – tzv. Einstein-Szilárdův list.[4] To vedlo k podpoře výzkumu jaderného štěpení ze strany americké vlády, která se postupně rozšiřovala, tak jak válečný konflikt eskaloval a také se rozrůstaly nové poznatky z jaderné fyziky.[5]
V dubnu 1941 požádal mezitím vzniklý Národní výbor pro obranný výzkum (NDRC: National Defense Research Committee) Arthura Comptona, nositele Nobelovy ceny za fyziku a profesora na Chicagské univerzitě, aby podal zprávu o tzv. uranovém programu. Dánský fyzik Niels Bohr (Nobelova cena 1922) a John Wheeler společně publikovali významné články o mechanismu jaderného štěpení a mimo jiné vyslovili předpoklad, že těžké izotopy s lichými protonovými (atomovými) čísly, jako je plutonium-239, jsou štěpné. Italský fyzik Emilio Segrè a Glenn Seaborg vyrobili na Kalifornské univerzitě v květnu 1941 v tamním cyklotronu 28 mikrogramů plutonia a zjistili některé jeho základní vlastnosti.[6]:s.36–38[7]:s.82
V cyklotronech však bylo možné vytvořit jen nepatrná množství plutonia 239 a tento postup tak byl zcela nevhodný pro průmyslovou výrobu. Arthur Compton se proto radil s maďarským fyzikem Eugenem Wignerem (který v té době pracoval na Princetonské univerzitě) o tom, jak by se plutonium dalo vyrobit v jaderném reaktoru ostřelováním uranu neutrony. S Robertem Serberem z Illinoiské univerzity pak řešil, jak by plutonium vyrobené v reaktoru dalo oddělit od zbylého uranu, dalších složek původní uranové rudy a štěpných produktů, které při reakci vznikly.[8]:s.192–193[6]:s.46–49
20. prosince 1941, tedy jen několik dní po japonském útoku na Pearl Harbor a následném vstupu USA do války, byl Compton pověřen vedením projektu plutonia. Jeho cílem bylo vyrobit reaktory pro přeměnu uranu na plutonium, najít způsob, jak chemicky oddělit plutonium od uranu, a navrhnout a sestrojit atomovou bombu. Ačkoli žádný reaktor ještě nebyl postaven, vědci již vytvořili několik různých, ale slibných koncepcí. Bylo na Comptonovi, aby rozhodl, který z nich bude realizován. Navrhl velmi ambiciózní plán, jehož cílem bylo dosáhnout řízené řetězové jaderné reakce do ledna 1943 a mít k dispozici atomovou bombu do ledna 1945 (reaktor Chicago Pile-1 byl poprvé spuštěn 2. prosince 1942, tedy ještě před plánovaným termínem, dokončení atomové bomby se oproti tomuto plánu zpozdilo, ale jen o několik měsíců).[6]:s.50–55, 180–181[7]:s.88
Compton měl pocit, že týmy na celkem čtyřech univerzitách (Columbia, Princeton, Chicago a California se příliš dublují a nespolupracují dostatečně. Chtěl proto soustředit práci na jednom místě, ale nikdo se nechtěl stěhovat a každý argumentoval ve prospěch svého místa. V lednu 1942 Compton rozhodl soustředit práci na svém vlastním pracovišti, na Chicagské univerzitě, kde věděl, že má neochvějnou podporu vedení univerzity, zatímco Kolumbijská univerzita byla zapojena také do úsilí o obohacování uranu a váhala, zda přidat další tajný projekt. K rozhodnutí přispěla i centrální poloha Chicaga a rovněž dostupnost vědců, techniků a zařízení na Středozápadě USA, která ještě nebyla ovlivněna přesuny na jiné válečné projekty. Rovněž bydlení bylo snadněji dostupné a vnitrozemské město bylo méně zranitelné vůči nepřátelskému útoku.[2]:s.399–400[7]:s.88[1]:s.80
Založení tajné laboratoře
Týmy a personál
Nové výzkumné pracoviště vzniklo v únoru 1942 a dostalo krycí název “Metallurgical Laboratory“ neboli zkráceně “Met Lab“. Chicagská univerzita skutečně uvažovala o založení výzkumného ústavu pro kovy (po válce tak učinila), takže vznik pracoviště s tímto názvem nevzbudil velkou pozornost. Comptonův plutoniový projekt se pak stal známým jako „Metalurgický projekt“. Laboratoř spravovala Chicagská univerzita na základě smlouvy s Úřadem pro vědecký výzkum a vývoj (OSRD: Office of Scientific Research and Development), který ji financoval. OSRD vznikla jako federální agentura v polovině roku 1941 (její ředitel Vannevar Bush se zodpovídal přímo prezidentovi) a nahradila výše popsanou instituci NDRC.[1]:s.82
Na Comptonově metalurgickém projektu, známém také jako „projekt Pile“ nebo „X-10“, se podílelo přes 5000 lidí v celkem 70 výzkumných skupinách, z nichž asi 2000 pracovalo přímo v metalurgické laboratoři v Chicago. Navzdory nabízeným dobrým platům byl nábor kvalifikovaných odborníků obtížný. O vědce, techniky a inženýry se ucházela konkurence z jiných projektů souvisejících s obranou a Chicago (tehdy po New Yorku druhé největší město v USA ) bylo ve srovnání s menšími univerzitními městy drahé.[1]:s.83[3]:s.636[9]:s.24–25[10]:s.S2–S5, 1.1.
V rámci projektu zpočátku mimo jiné existovaly tři fyzikální skupiny, které vedli Samuel King Allison, italský fyzik Enrico Fermi (jeho tým postavil v Chicagu první zkušební jaderný reaktor na světě Chicago Pile-1) a Martin D. Whitaker. Chemické oddělení vedl kanadský chemik Frank Spedding, později ho vystřídal Herbert McCoy a poté německý fyzik James Franck. V červnu 1942 Compton pověřil vedením konstrukce bomby Roberta Oppenheimera. V listopadu 1942 se z něj stal samostatný projekt, známý jako Projekt Y, který byl celý přesunut do nově vzniklého tajného města Los Alamos v Novém Mexiku (před příchodem vědců zde existovala jen malá Los Alamos Ranch School).[1]:s.82, 127–131
V srpnu 1942 oficiálně vznikl projekt Manhattan, jeho řízení převzala armáda a byly do něj postupně soustředěny všechny výzkumné, vývojové i výrobní aktivity, které jakkoli souvisely s vývojem atomové bomby, výrobou štěpného materiálu nebo dalšími potřebnými technologiemi. Od 17. února 1943 se přímým nadřízeným Arthura Comptona stal generál Leslie Groves (šéf celého projektu Manhattan) a od května téhož roku armáda kompletně převzala financování a řízení laboratoře (předtím byla Met Lab podřízena sekci S-1 v rámci federální agentury OSRD).[11]:s.2.1.[9]:s.21–22
Místa a budovy
Zpočátku většinu laboratorních zařízení a budov poskytovala Chicagská univerzita. Fyzikové zabrali prostory pod severní a západní tribunou stadiónu Stagg Field (zde byl později také postaven první reaktor Chicago Pile-1) a v budově Service Building, kde byl cyklotron. Chemici převzali Laboratoř George Herberta Jonese a Kentovu chemickou laboratoř. Zdravotnická skupina zabrala prostory v Anatomy Building, Drexel House, Billings Hospital a Killis Laboratory a administrativní kanceláře byly umístěny do Eckhart Hall.[11]:s.2.3–2.5
Leó Szilárd později napsal, že „(pracovní) morálka vědců by se dala téměř zakreslit do grafu spočítáním počtu světel, která svítí večer v kancelářích v Eckhart Hall“.[12] Když projektu přestaly stačit prostory v Eckhart Hall, zabral nedalekou Ryerson Hall. Metalurgická laboratoř nakonec zabírala přibližně 19 000 metrů čtverečních plochy kampusu. V budovách, které laboratoř využívala, byly provedeny úpravy za více než 130 000 dolarů (přibližně 2,35 miliónu USD v cenách roku 2023), ale Chicagská univerzita musela nést také náklady na úpravy pro uživatele, kteří byli kvůli laboratoři přemístěni do jiných, náhradních prostor.[11]:s.2.3–2.5
Chicagská univerzita rovněž poskytla projektu Manhattan pozemek na kterém byly tenisové kurty, za symbolický pronájem jednoho dolaru pro výstavbu nové budovy pro chemiky. Firma Stone a Webster zahájila práce v září 1942 a v prosinci byla budova dokončena. Brzy se ukázalo, že je příliš malá, proto k pronájmu byl přidán přilehlý pozemek na němž byla postavena přístavba o větší rozloze než původní budova (dokončena v listopadu 1943). Poté byly provedeny rozsáhlé práce na ventilačním systému, aby laboratoř mohla bezpečněji pracovat s plutoniem.[11]:s.2.7–2.8
V dubnu 1943 byl dán k dispozici pozemek s ledárnou a stájemi ve vlastnictví univerzity v Chicagu, který dostal krycí označení Site B. Byl přestavěn tak, aby poskytl skoro 6 tisíc metrů čtverečních laboratoři a dílnám pro zdravotnickou a metalurgickou skupinu. V březnu 1944 byla od státu Illinois pronajata 124. polní dělostřelecká zbrojnice, aby poskytla další prostory, a bylo postaveno nebo pronajato dalších asi 33 000 metrů čtverečních prostor za 2 miliony dolarů (přes 33 miliónů v cenách roku 2023).[11]:s.2.7–2.8
Jak z důvodu utajení, tak z bezpečnostních důvodů nebylo žádoucí umístit zařízení pro pokusy s jadernými reaktory v hustě obydleném Chicagu (i když první pokusný reaktor byl postaven přímo pod tribunou stadiónu, jak již bylo zmíněno). Pro další experimenty ale Arthur Compton vybral zcela nové místo v Argonnském lese, který je součástí lesní rezervace okresu Cook County, přes 30 kilometrů jihozápadně od centra Chicaga. Místo dostalo krycí označení Site A. Ministerstvo války si od okresu Cook County pronajalo asi 440 hektarů pozemků na „dobu trvání války plus jeden rok“, opět za symbolický jeden dolar. Výstavba zařízení včetně laboratoří a servisních budov a příjezdové cesty byla zahájena v září 1942 a dokončena počátkem roku 1943. Arthur Compton jmenoval Enrica Fermiho prvním ředitelem této nově vzniklé Argonnské laboratoře.[3]:s.46–47[11]:s.2.6[9]:s.21–22
Vývoj experimentálních reaktorů
Chicago Pile-1
.jpg)
Jednoduchou konstrukci ryze experimentálního reaktoru, jehož cílem bylo pouze ověřit proveditelnost řízené jaderné reakce, navrhl italský fyzik Enrico Fermi se svými spolupracovníky. Aktivní zónu tvořilo velké množství ultračistých grafitových cihel, kde uprostřed byly umístěn uran, střídavě s dalšími grafitovými cihlami. Původně se reaktor měl stavět již v nové lokalitě mimo Chicago (Site A) popsané výše. Výstavba nového centra v Argonne se ale opozdila kvůli potížím firmy Stone & Webster s náborem kvalifikovaných pracovníků a získáním potřebných stavebních materiálů.[7]:s.91[2]:s.429
Compton proto schválil Fermiho návrh postavit reaktor pod tribunami na stadionu Stagg Field. Budování reaktoru začalo 16. listopadem 1942. Práce probíhaly nepřetržitě ve dvanáctihodinových směnách, které vedli Herbert L. Anderson a Walter Zinn, stavby se jinak účastnil převážně neproškolený personál. Velkou část manuální práce provedli hráči místního univerzitního fotbalového týmu, kteří v rámci kondičního tréninku jednoduše donesli grafitové cihly na místo.[1]:s.136–137[2]:s.433[7]:s.91–92
Po dokončení konstrukce z dřevěných trámů vysoká asi 6 metrů obsahovala přibližně 5,4 tuny kovového uranu, 45 tun oxidu uranu a 360 tun grafitu, přičemž náklady se odhadují na 2,7 miliónu dolarů. Dne 2. prosince 1942 bylo dosaženo první řízené jaderné reakce při výkonu asi 0,5 Wattu, po několika minutách automatický systém štěpnou reakci zastavil.[13] Dne 12. prosince 1942 byl reaktoru znovu spuštěn a výkon zvýšen až na 200 Wattů. Vzhledem k absenci jakéhokoli stínění reaktor představoval radiační nebezpečí nejen pro účastníky experimentu, ale také pro okolí. Proto se ve zkouškách pokračovalo opět jen s výkonem 0,5 Wattu.[9]:s.16–17[11]:s.3.9
Chicago Pile-2
Počínaje 28. únorem 1943 proběhla demontáž prvního reaktoru CP-1 na stadionu v Chicagu a veškerý materiál byl převezen do mezitím dostavěného centra v Argonne, kde byl původní materiál použit na stavbu Chicago Pile-2 (CP-2).[14][15] Tento reaktor byl o něco větší (výška asi 7,6 metru a čtvercová základna 9,1 metru). Byl již obklopen betonovými stěnami o tloušťce přibližně 1,5 metru, které fungovaly jako radiační štít, na horní straně byl použít štít z olova o tloušťce 15 cm a ze dřeva o tloušťce 130 cm. Původní materiál byl doplněn o nový, takže reaktor obsahoval 47 tun uranu a 428 tun grafitu. Ani tento reaktor ještě neměl žádný chladicí systém, protože pracoval pouze při výkonu nejvýše několik kilowattů. Reaktor CP-2 byl uveden do provozu v březnu 1943.[16][9]:s.23, 428
Chicago Pile-3
Další reaktor, známý jako Chicago Pile-3 (CP-3), byl postaven v Argonne v roce 1944. Zatímco reaktory CP-1 a CP-2 byly velmi podobné, tento byl zcela odlišný. Jednalo se o první reaktor na světě, který používal jako moderátor neutronů místo grafitu těžkou vodu. V době stavby CP-1 a CP-2 nebyla těžká voda ještě k dispozici, ale díky projektu P-9 v rámci projektu Manhattan se stala dostupnou ve velkém množství.[17]:s.8–9
Reaktor byla v podstatě velká hliníkovou nádrž o průměru 1,8 metru, která byla naplněna těžkou vodou o hmotnosti 5,9 tuny. Ve víku byly pravidelně rozmístěny otvory, kterými do těžké vody procházelo 121 uranových tyčí obalených hliníkem. Nádrž byla obklopena grafitovým neutronovým odražečem, který byl ještě obklopen olověným štítem a betonem. Stínění na horní straně reaktoru zajišťovaly vrstvy čtvercových odnímatelných cihel o straně 30 cm, složené z vrstev železa a masonitu (dřevovláknitá deska s vysokou hustotou).
Těžká voda byla chlazena výměníkem tepla, který používal běžnou vodu. Vedle běžných řídících tyčí pro kontrolu štěpné reakce zde byl i havarijní mechanismus pro vypuštění těžké vody do spodní nádrže. Stavba byla zahájena 1. ledna 1944. Reaktor byl poprvé spuštěn v květnu 1944 a plný výkon 300 kW byl dosažen v červenci 1944. Konstrukce reaktoru umožnila během války prakticky nepřetržitý provoz a současně usnadňovala provádění různých experimentů, včetně testů ke zkoumání vlastností izotopů (např.tritia) a určování záchytu neutronů u různých prvků a sloučenin, které by mohly být použity pro konstrukci budoucích reaktorů nebo se vyskytují jako nežádoucí příměsi. Reaktor se používal také ke zkouškám přístrojového vybavení, k experimentům pro stanovení tepelné stability materiálů a k výcviku obsluhy.[9]:s.26[11]:s.3.13–3.14[18]:s.173
Návrh a konstrukce produkčních reaktorů
Reaktory Chicago Pile-1 až Chicago Pile-3 se postupně zdokonalovaly (a v případě CP-3 šlo o velmi odlišnou konstrukci), ale všechno to byly v zásadě experimentální reaktory. Hlavním úkolem však byl návrh a konstrukce ryze produkčních reaktorů, jež by používaly přírodní (neobohacený) uran, který bude využit pro výrobu plutonia-239, nezbytného pro plutoniovou verzi atomové bomby. Konstrukce reaktorů pro výrobu plutonia zahrnovala řadu problémů nejen v oblasti jaderné fyziky, ale i v inženýrství a konstrukci.[11]:s.2.6–2.7
Homogenní × heterogenní konstrukce
Otázkám jako je dlouhodobý vliv záření na různé materiály, věnovala metalurgická laboratoř značnou pozornost Uvažovalo se o dvou typech reaktorů: homogenním, v němž byly moderátor a palivo smíchány dohromady, a heterogenním, v němž byly moderátor a palivo uspořádány do mřížkové konfigurace. Již koncem roku 1941 matematická analýza ukázala, že mřížková konstrukce má oproti homogennímu typu určité výhody, a proto byla zvolena jak pro Chicago Pile-1, tak pro pozdější výrobní reaktory.
Volba moderátoru neutronů
Dalším důležitým rozhodnutím byla volba moderátoru neutronů. Byl zvolen ultračistý grafit především na základě jeho dostupnosti ve srovnání s berylliem nebo těžkou vodou (použitelnost těžké vody jako moderátoru byla ověřena v experimentálním reaktoru Chicago Pile-3, jak bylo popsáno výše).[11]:s.2.9–2.11
Výběr chladiva
Rozhodnutí jaké použít chladivo vyvolalo rovněž rozsáhlé debaty. Metalurgická laboratoř nejprve navrhla helium, protože mohlo sloužit jako chladivo a současně také jako moderátor neutronů. Obtíže spojené s jeho použitím však byly nepřehlédnutelné byly . Bylo by zapotřebí velké množství hélia, muselo by být velmi čisté (bez příměsí pohlcujících neutrony). K cirkulaci plynu v reaktoru by byla zapotřebí speciální dmychadla a musel by se vyřešit problém úniku radioaktivních plynů. Žádný z těchto problémů však nebyl považován za nepřekonatelný. Rozhodnutí použít helium bylo sděleno společnosti DuPont, která byla odpovědná za stavbu výrobních reaktorů, a ta toto rozhodnutí zpočátku přijala.[11]:s.3.14–3.15
Počátkem roku 1943 Eugene Paul Wigner a jeho teoretická skupina (kterou tvořili Alvin Weinberg, Katharine Way, Leo Ohlinger, Gale Young a Edward Creutz), vypracovali návrh výrobního reaktoru s vodním chlazením. Volba vody jako chladiva byla kontroverzní, protože bylo známo, že pohlcuje neutrony, čímž snižuje účinnost reaktoru, ale Wigner byl přesvědčen, že výpočty jeho skupiny jsou správné a že s čistším grafitem a uranem, které byly nyní k dispozici, bude voda fungovat, zatímco technické obtíže spojené s použitím helia jako chladiva by projekt zpozdily.[19]:s.217–218[20]:s.22–24
Návrh reaktoru s vodním chlazením dále zahrnoval použití tenké vrstvy hliníku, která chránila uran před korozí způsobenou chladicí vodou. Válcovité uranové články s hliníkovým pláštěm by procházely kanály skrz reaktor do chladicího jezírka. Jakmile by se radioaktivita článků dostatečně snížila, byly by odvezeny do separační továrny, kde by došlo k oddělení plutonia od všech ostatních složek. Po přezkoumání obou návrhů se inženýři společnosti DuPont rozhodli pro chlazení vodou. Až v roce 1959 byl na tento návrh reaktoru vydán patent na jména Creutz, Ohlinger, Weinberg, Wigner a Young.[21][1]:s.167[11]:s.3.16
Řešení dalších problémů
Metalurgická laboratoř dále testovala různé přísady do vody, aby prověřila jejich účinek. Zjistilo se, výše popsaná koroze se minimalizuje, když je voda mírně kyselá, proto byla do vody přidána zředěná kyselina sírová, aby voda měla pH 6,5. Do vody byly přidávány i další přísady, jako křemičitan sodný, dichroman sodný a kyselina šťavelová, aby se zabránilo tvorbě usazenin a povlaku, který by mohl bránit cirkulaci chladicí vody.[11]:s.4.5–4.7
Použití hliníku na povrchu palivových článků nejen chránilo kovový uran před korozí při při kontaktu s vodou, ale také bránilo úniku plynných radioaktivních štěpných produktů, které by mohly vznikat při jejich ozařování. Hliník byl zvolen proto, že plášť musel propouštět teplo a současně nesměl absorbovat příliš mnoho neutronů. Výrobě palivových článků a jejich ochraně hliníkem byla věnována velká pozornost, protože jakékoliv jejich poškození by mohlo ucpat nebo poškodit kanály pro jejich zasunutí reaktoru. Metalurgická laboratoř proto detailně zkoumala všechny výrobní postupy a prováděla řadu různých zkoušek.[22]:s.146–147[11]:s.4.5–4.7
Důležitá oblast výzkumu se týkala tzv. Wignerova efektu.[23] Při bombardování palivových článků neutrony dochází také k poškozování okolních materiálů. V případě kovů to může vést k jejich zkřehnutí a tím významnému omezení životnosti reaktorové nádoby. Ukázalo se, že grafitové bloky používané jako moderátor neutronů jsou obzvláště citlivé na tento efekt: atomy uhlíku v grafitu jsou vyraženy z jeho krystalické struktury, což v průběhu času způsobuje zahřívání a hlavně bobtnání grafitu. Zkoumání tohoto problému trvalo velmi dlouho a až ke konci roku 1946 se podařilo najít uspokojivé řešení.[11]:s.5.1–5.2[24]:s.213–215
Chemie a metalurgie
Důležitou součástí výzkumných a vývojových aktivit laboratoře byly různé chemické a metalurgické procesy, které byly pro úspěšnou konstrukci jaderných reaktorů a separačních továren nezbytné. Metalurgické práce se soustředily zejména na uran a plutonium. Přestože uran byl v té době znám již více než sto let, o jeho fyzikálních a chemických vlastnostech se vědělo jen málo, o čemž svědčí i skutečnost, že v odborné literatuře se jeho uváděná teplota tání lišila o téměř 280 °C.
Metalurgie uranu a plutonia
Vlastnosti uranu zkoumal hlavně tým, který vedl americký fyzik Edward Creutz. Při správném rozsahu teplot lze uran kovat, válcovat a tahat do tyčí, které vyžaduje konstrukce výrobního reaktoru. Tým zjistil i z hlediska výrobních procesů negativní vlastnosti, např. při řezání uranu mohou jeho třísky vzplanout. Metalurgická laboratoř také vyvinula (ve spolupráci se společnostmi Alcoa a General Electric) metodu vytvoření ochranného hliníkového pláště pro palivové články, která byla potřebná kvůli korozi, jak bylo zmíněno výše.[1]:s.175
Metalurgická laboratoř byl pod velkým tlakem, aby získala dostatečný zdroj zpracovaného uranu. Proto se Compton, Spedding a Hilberry v dubnu 1942 sešli s Edwardem Mallinckrodtem v sídle jeho chemické společnosti v St. Louis ve státě Missouri. Jeho společnost vymyslela a zavedla novou techniku zpracování uranu, do poloviny května 1942 předložila úspěšné zkušební vzorky uranu, do začátku prosince 1942 dodala uran potřebný pro stavbu prvního experimentálního reaktoru Chicago Pile-1 a ještě před podpisem smlouvy dodala celou objednávku na prvních šedesát tun.[25]
Metalurgie plutonia pak byla zcela neznámá, protože tento prvek byl objeven teprve krátce před vznikem projektu Manhattan. Poprvé bylo plutonium připraveno v roce 1940 při bombardování uranu neutrony. První vážitelné množství čistého plutonia bylo izolováno ještě o něco později, zasloužil se o to Seaborgův tým v Jonesově laboratoři.[26] Dokud nebyly k dispozici reaktory navržené právě metalurgickou laboratoří, vyráběla se nepatrná (mikrogramová) množství plutonia v cyklotronu na Washingtonově univerzitě v St. Louis.[1]:s.176[9]:s.14, 26
Chemická separace plutonia
.jpg)
K výrobě plutonia z přírodního (neobohaceného) uranu sloužily ještě převážně experimentální reaktor X-10 v lokalitě Oak Ridge ve státě Tennessee a již ryze produkční reaktory B, D a F v nové lokalitě Hanford Site ve státě Washington. Stejné důležité jako návrh těchto reaktorů bylo i vytvoření metody separace plutonia od uranu a zbytků štěpení vzniklých v těchto reaktorech, která by byla použitelná v průmyslovém měřítku.[9]:s.26
Tuto metodu, tzv. bismut fosfátový proces, vyvinula metalurgická laboratoř ve spolupráci s firmou DuPont, která reaktory i separační továrny v Hanford Site postavila. Tato metoda se pak používala jako jediná metoda separace až do konce 40. let. V roce 1947 byly v Hanfordu zahájeny pokusy s novým procesem nazvaným REDOX, který byl účinnější. Výstavba nového zařízení REDOX byla zahájena v roce 1949 a provoz byl zahájen v lednu 1952. V roce 1952 byla proto také uzavřena první ze tří původních separačních továren postavených za druhé světové války. V roce 1956 pak byl otevřen PUREX, ještě účinnější separační továrna.[27][9]:s.26
Odkazy
Reference
V tomto článku byl použit překlad textu z článku Metallurgical Laboratory na anglické Wikipedii.
- ↑ a b c d e f g h i COMPTON, Arthur. Atomic Quest. New York, New York: Oxford University Press, 1956. OCLC 173307
- ↑ a b c d RHODES, Richard. The Making of the Atomic Bomb. New York: Simon & Schuster, 1986. ISBN 978-0-671-44133-3. OCLC 883475036
- ↑ a b c JONES, Vincent. Manhattan: The Army and the Atomic Bomb. Washington, D.C.: United States Army Center of Military History, 1985. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 7 October 2014. OCLC 10913875
- ↑ THE ATOMIC HERITAGE FOUNDATION. Einstein's Letter to Franklin D. Roosevelt [online]. [cit. 2007-05-26]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 27 October 2012.
- ↑ THE ATOMIC HERITAGE FOUNDATION. Pa, this requires action! [online]. [cit. 2007-05-26]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 29 October 2012.
- ↑ a b c HEWLETT, Richard G.; ANDERSON, Oscar E. The New World, 1939–1946. Physics Today. 1962, s. 62. Dostupné online [cit. 26 March 2013]. ISBN 978-0-520-07186-5. DOI 10.1063/1.3057919. Bibcode 1962PhT....15l..62H.
- ↑ a b c d e ANDERSON, Herbert L. All In Our Time: The Reminiscences of Twelve Nuclear Pioneers. Redakce Wilson Jane. Chicago, Illinois: Bulletin of the Atomic Scientists, 1975. OCLC 1982052 Kapitola Assisting Fermi, s. 66–104.
- ↑ SALVETTI, Carlo. Enrico Fermi: His Work and Legacy. Redakce Bernardini C.. Bologna, Italy: Società Italiana di Fisica: Springer, 2001. Dostupné online. ISBN 978-88-7438-015-2. OCLC 56686431 Kapitola The Birth of Nuclear Energy: Fermi's Pile, s. 177–203.
- ↑ a b c d e f g h i HOLL, Jack M.; HEWLETT, Richard G.; HARRIS, Ruth R. Argonne National Laboratory, 1946–96. Urbana, Illinois: University of Illinois Press, 1997. ISBN 978-0-252-02341-5.
- ↑ Manhattan District. Manhattan District History, Book IV – Pile Project X-10, Volume 1 – General Features. Washington, D.C.: Manhattan District, 1947. Dostupné online.
- ↑ a b c d e f g h i j k l m n o Manhattan District. Manhattan District History, Book IV – Pile Project X-10, Volume 2 – Research, Part 1 – Metallurgical Laboratory. Washington, D.C.: Manhattan District, 1947. Dostupné online.
- ↑ Leo Szilard: His Version of the Facts. Bulletin of the Atomic Scientists. Educational Foundation For Nuclear Science, April 1979, s. 32. Dostupné online [cit. 18 December 2015]. ISSN 0096-3402.
- ↑ CP-1 Goes Critical [online]. Department of Energy. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 22 November 2010.
- ↑ Reactors Designed by Argonne National Laboratory: Chicago Pile 1 [online]. Argonne National Laboratory, 21 May 2013 [cit. 2013-07-26]. Dostupné online.
- ↑ Atoms Forge a Scientific Revolution [online]. Argonne National Laboratory, 10 July 2012 [cit. 2013-07-26]. Dostupné online.
- ↑ FERMI, Enrico. The Development of the first chain reaction pile. Proceedings of the American Philosophical Society. 1946, s. 20–24. JSTOR 3301034.
- ↑ WALTHAM, Chris. An Early History of Heavy Water. Vancouver, British Columbia: Department of Physics and Astronomy, University of British Columbia, 20 June 2002. Bibcode 2002physics...6076W. arXiv physics/0206076. S. physics/0206076.
- ↑ WATTENBERG, Albert. All In Our Time: The Reminiscences of Twelve Nuclear Pioneers. Redakce Wilson Jane. Chicago, Illinois: Bulletin of the Atomic Scientists, 1975. OCLC 1982052 Kapitola Present at Creation, s. 105–123.
- ↑ SZANTON, Andrew. The Recollections of Eugene P. Wigner. New York, New York: Plenum, 1992. ISBN 978-0-306-44326-8. OCLC 612245667
- ↑ WEINBERG, Alvin. The First Nuclear Era: The Life and Times of a Technological Fixer. Physics Today. 1994, s. 63–64. ISBN 978-1-56396-358-2. DOI 10.1063/1.2808209. Bibcode 1995PhT....48j..63W.
- ↑ HINMAN, George; ROSE, David. Edward Chester Creutz 1913–2009. Washington, D.C.: National Academy of Sciences, 2010. (Biographical Memoirs). Dostupné online.
- ↑ SMYTH, Henry DeWolf. Atomic Energy for Military Purposes; the Official Report on the Development of the Atomic Bomb under the Auspices of the United States Government, 1940–1945. Princeton, New Jersey: Princeton University Press, 1945. Dostupné online. ISBN 978-0-8047-1722-9. OCLC 265919046
- ↑ WIGNER, E. P. Theoretical Physics in the Metallurgical Laboratory of Chicago. Journal of Applied Physics. 1946, s. 857–863. DOI 10.1063/1.1707653. Bibcode 1946JAP....17..857W.
- ↑ HANSEN, Chuck. Volume I: The Development of US Nuclear Weapons. Sunnyvale, California: Chukelea Publications, 1995. (Swords of Armageddon: US Nuclear Weapons Development since 1945). ISBN 978-0-9791915-1-0. OCLC 231585284
- ↑ The Mallinckrodt Chemical Works Story [online]. Mallincrkodt Chemical (1962) [cit. 2020-03-08]. Dostupné online.
- ↑ SEABORG, G.T. History of MET Lab Section C-I, April 1942 – April 1943. [s.l.]: University of California, Berkeley Lawrence Berkeley Laboratory, 1977. Dostupné online. DOI 10.2172/7110621.
- ↑ GERBER, Michele. Plutonium Production Story at the Hanford Site: Processes and Facilities History. Washington, D.C.: United States Department of Energy, June 1996. Dostupné online. OCLC 68435718 HC-MR-0521. S. 4.10.
Literatura
- GROVES, Leslie. Now It Can Be Told: The Story of the Manhattan Project. 1. vyd. New York: Harper & Row, 1962. xiv + 464 s. (Franklin D. Roosevelt and the Era of the New Deal). ISBN 978-0-306-70738-4. OCLC 1331550623 (angličtina)
- RHODES, Richard. The Making of the Atomic Bomb. New York: Simon & Schuster, 1986. ISBN 978-0-671-44133-3. OCLC 883475036
- WEINBERG, Alvin. The First Nuclear Era: The Life and Times of a Technological Fixer. Physics Today. 1994, s. 63–64. ISBN 978-1-56396-358-2. DOI 10.1063/1.2808209. Bibcode 1995PhT....48j..63W.
Všechny knihy/publikace uvedené v sekci Literatura jsou dostupné ve vybraných českých knihovnách.
Související články
Externí odkazy
Obrázky, zvuky či videa k tématu Metalurgická laboratoř na Wikimedia Commons
