Calutron - Calutron

Um tanque Alpha calutron removido do ímã para recuperação de urânio-235

Um calutron é um espectrômetro de massa originalmente projetado e usado para separar os isótopos de urânio . Foi desenvolvido por Ernest Lawrence durante o Projeto Manhattan e foi baseado em sua invenção anterior, o ciclotron . Seu nome foi derivado de California University Cyclotron, em homenagem à instituição de Lawrence, a University of California , onde foi inventado. Calutrons foram usados ​​na planta de enriquecimento de urânio Y-12 em escala industrial na Clinton Engineer Works em Oak Ridge, Tennessee . O urânio enriquecido produzido foi usado na bomba atômica Little Boy , que foi detonada sobre Hiroshima em 6 de agosto de 1945.

O calutron é um tipo de espectrômetro de massa setorial , um instrumento no qual uma amostra é ionizada e então acelerada por campos elétricos e desviada por campos magnéticos . Os íons, em última análise, colidem com uma placa e produzem uma corrente elétrica mensurável . Como os íons dos diferentes isótopos têm a mesma carga elétrica, mas massas diferentes, os isótopos mais pesados ​​são menos desviados pelo campo magnético, fazendo com que o feixe de partículas se separe em vários feixes de massa, atingindo a placa em locais diferentes. A massa dos íons pode ser calculada de acordo com a força do campo e a carga dos íons. Durante a Segunda Guerra Mundial, calutrons foram desenvolvidos para usar este princípio para obter quantidades substanciais de urânio-235 de alta pureza, aproveitando a pequena diferença de massa entre os isótopos de urânio.

A separação eletromagnética para enriquecimento de urânio foi abandonada no período pós-guerra em favor do método de difusão gasosa mais complicado, porém mais eficiente . Embora a maioria dos calutrons do Projeto Manhattan tenha sido desmontada no final da guerra, alguns permaneceram em uso para produzir amostras enriquecidas isotopicamente de elementos de ocorrência natural para fins militares, científicos e médicos.

Origens

A notícia da descoberta da fissão nuclear pelos químicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann em 1938, e sua explicação teórica por Lise Meitner e Otto Frisch , foi trazida aos Estados Unidos por Niels Bohr . Com base em seu modelo de gota líquida do núcleo, ele teorizou que era o isótopo do urânio-235 e não o mais abundante urânio-238 o principal responsável pela fissão com nêutrons térmicos . Para verificar isso Alfred OC Nier da Universidade de Minnesota usou um espectrômetro de massa para criar uma quantidade microscópica de urânio-235 enriquecido em abril de 1940. John R. Dunning , Aristid von Grosse e Eugene T. Booth foram então capazes de confirmar que Bohr era corrigir. Leo Szilard e Walter Zinn logo confirmaram que mais de um nêutron era liberado por fissão, o que tornava quase certo que uma reação em cadeia nuclear poderia ser iniciada e, portanto, que o desenvolvimento de uma bomba atômica era uma possibilidade teórica. Havia temores de que um projeto alemão de bomba atômica desenvolvesse uma primeiro, especialmente entre cientistas refugiados da Alemanha nazista e de outros países fascistas .

Diagrama de separação de isótopos de urânio no calutron

Na Universidade de Birmingham, na Grã-Bretanha, o físico australiano Mark Oliphant atribuiu a dois físicos refugiados - Otto Frisch e Rudolf Peierls - a tarefa de investigar a viabilidade de uma bomba atômica, ironicamente porque sua condição de alienígenas inimigos impedia seu trabalho em projetos secretos como o radar . Seu memorando Frisch-Peierls de março de 1940 indicava que a massa crítica do urânio-235 estava na ordem de 10 kg, que era pequena o suficiente para ser carregada por um bombardeiro da época. O Comitê Maud britânico , então, recomendou unanimemente o desenvolvimento de uma bomba atômica. Grã-Bretanha tinha se oferecido para dar aos Estados Unidos acesso a sua pesquisa científica, de modo a Missão Tizard 's John Cockcroft informado cientistas americanos sobre a evolução britânicos. Ele descobriu que o projeto americano era menor do que o britânico e não tão avançado.

Um desapontado Oliphant voou para os Estados Unidos para falar com os cientistas americanos. Entre eles estavam Ernest Lawrence , do Laboratório de Radiação da Universidade da Califórnia , em Berkeley . Os dois homens se conheceram antes da guerra e eram amigos. Lawrence ficou suficientemente impressionado para iniciar sua própria pesquisa sobre o urânio. O urânio-235 compõe apenas cerca de 0,72% do urânio natural, portanto, o fator de separação de qualquer processo de enriquecimento de urânio precisa ser superior a 1250 para produzir 90% de urânio-235 a partir do urânio natural. O Comitê Maud recomendou que isso fosse feito por um processo de difusão gasosa , mas Oliphant foi o pioneiro de outra técnica em 1934: a separação eletromagnética. Esse foi o processo que Nier havia usado.

O princípio da separação eletromagnética é que os íons carregados são desviados por um campo magnético, e os mais leves são desviados mais do que os pesados. A razão pela qual o Comitê Maud, e mais tarde sua contraparte americana, a Seção S-1 do Escritório de Pesquisa e Desenvolvimento Científico (OSRD), ignorou o método eletromagnético foi que embora o espectrômetro de massa fosse capaz de separar isótopos, ele produzia muito baixos rendimentos. A razão para isso foi a chamada limitação de carga espacial . Os íons positivos têm carga positiva, então eles tendem a se repelir, o que faz com que o feixe se espalhe. Com base em sua experiência com o controle preciso de feixes de partículas carregadas de seu trabalho com sua invenção, o ciclotron , Lawrence suspeitou que as moléculas de ar na câmara de vácuo neutralizariam os íons e criariam um feixe focalizado. Oliphant inspirou Lawrence a converter seu velho ciclotron de 37 polegadas (94 cm) em um espectrômetro de massa gigante para separação de isótopos .

Frank Oppenheimer (centro à direita) e Robert Thornton (à direita) examinam o emissor de 4 fontes para o calutron Alpha melhorado.

O ciclotron de 37 polegadas em Berkeley foi desmontado em 24 de novembro de 1941 e seu ímã foi usado para criar o primeiro calutron. Seu nome veio da Universidade da Califórnia e ciclotron. O trabalho foi inicialmente financiado pelo Laboratório de Radiação com recursos próprios, com uma bolsa de US $ 5.000 da Research Corporation . Em dezembro, Lawrence recebeu uma doação de US $ 400.000 do Comitê de Urânio S-1. O calutron consistia em uma fonte de íons, na forma de uma caixa com uma fenda e filamentos quentes dentro. O tetracloreto de urânio foi ionizado pelo filamento e, em seguida, passou por uma fenda de 0,04 por 2 polegadas (1,0 por 50,8 mm) em uma câmara de vácuo. O ímã foi então usado para desviar o feixe de íons em 180 °. Os feixes enriquecidos e esgotados foram para os coletores.

Quando o calutron foi operado pela primeira vez em 2 de dezembro de 1941, poucos dias antes do ataque japonês a Pearl Harbor levar os Estados Unidos à Segunda Guerra Mundial , uma intensidade de feixe de urânio de 5 microamperes (μA) foi recebida pelo coletor. O palpite de Lawrence sobre o efeito das moléculas de ar na câmara de vácuo foi confirmado. Uma corrida de nove horas em 14 de janeiro de 1942 com um feixe de 50 μA produziu 18 microgramas (μg) de urânio enriquecido a 25% de urânio-235, cerca de dez vezes mais do que Nier havia produzido. Em fevereiro, melhorias na técnica permitiram gerar um feixe de 1.400 μA. Naquele mês, amostras de 75 μg enriquecidas a 30% foram enviadas para o Laboratório Britânico e Metalúrgico em Chicago.

Outros pesquisadores também investigaram a separação de isótopos eletromagnéticos. Na Princeton University , um grupo liderado por Henry D. Smyth e Robert R. Wilson desenvolveu um dispositivo conhecido como isotron. Usando um clístron , eles foram capazes de separar os isótopos usando eletricidade de alta voltagem em vez de magnetismo. Os trabalhos continuaram até fevereiro de 1943, quando, tendo em vista o maior sucesso do calutron, os trabalhos foram interrompidos e a equipe transferida para outras funções. Na Cornell University, um grupo sob Lloyd P. Smith que incluía William E. Parkins e A. Theodore Forrester desenvolveu um separador magnético radial. Eles ficaram surpresos ao ver que seus feixes eram mais precisos do que o esperado e, como Lawrence, deduziram que era resultado da estabilização do feixe por ar na câmara de vácuo. Em fevereiro de 1942, sua equipe foi consolidada com Lawrence's em Berkeley.

Pesquisa

Embora o processo tenha funcionado, um esforço considerável ainda era necessário antes que um protótipo pudesse ser testado em campo. Lawrence reuniu uma equipe de físicos para resolver os problemas, incluindo David Bohm , Edward Condon , Donald Cooksey , A. Theodore Forrester, Irving Langmuir , Kenneth Ross MacKenzie , Frank Oppenheimer , J. Robert Oppenheimer , William E. Parkins, Bernard Peters e Joseph Slepian . Em novembro de 1943, eles se juntaram a uma missão britânica chefiada por Oliphant, que incluía os físicos australianos Harrie Massey e Eric Burhop , e físicos britânicos como Joan Curran e Thomas Allibone .

A unidade de desenvolvimento XAX em Oak Ridge foi usada para pesquisa, desenvolvimento e treinamento.

Lawrence tinha um grande ciclotron em construção em Berkeley, um com um ímã de 184 polegadas (470 cm). Este foi convertido em um calutron que foi ligado pela primeira vez em 26 de maio de 1942. Como a versão de 37 polegadas, parecia um C gigante quando visto de cima. O operador ficava sentado na extremidade aberta, de onde a temperatura podia ser regulada, a posição dos eletrodos ajustada e até mesmo os componentes substituídos por uma eclusa de ar durante o funcionamento. O novo e mais poderoso calutron não foi usado para produzir urânio enriquecido, mas para experimentos com múltiplas fontes de íons. Isso significava ter mais coletores, mas multiplicou a taxa de transferência.

O problema era que os feixes interferiam uns nos outros, produzindo uma série de oscilações chamadas hash. Um arranjo foi planejado para minimizar a interferência, resultando na produção de feixes razoavelmente bons, em setembro de 1942. Robert Oppenheimer e Stan Frankel inventaram o calço magnético , um dispositivo usado para ajustar a homogeneidade de um campo magnético. Essas eram folhas de ferro com cerca de 1 m de largura aparafusadas na parte superior e inferior do tanque de vácuo. O efeito dos calços foi aumentar levemente o campo magnético de forma a ajudar a focalizar o feixe de íons. O trabalho continuaria nos calços até 1943. As principais patentes do calutron foram Métodos e aparelhos para separar materiais (Lawrence), calços magnéticos (Oppenheimer e Frankel) e sistema Calutron (Lawrence).

Burhop e Bohm posteriormente estudaram as características das descargas elétricas em campos magnéticos, hoje conhecidas como difusão de Bohm . Seus artigos sobre as propriedades dos plasmas sob contenção magnética seriam usados ​​no mundo do pós-guerra na pesquisa da fusão nuclear controlada . Outros problemas técnicos eram mais mundanos, mas não menos importantes. Embora os feixes fossem de baixa intensidade, eles podiam, ao longo de muitas horas de operação, derreter os coletores. Um sistema de refrigeração de água foi, portanto, adicionado aos coletores e ao revestimento do tanque. Procedimentos foram desenvolvidos para limpar a "gosma" que se condensava dentro do tanque de vácuo. Um problema particular era o bloqueio das fendas por "crud", que fazia com que os feixes de íons perdessem o foco ou parassem inteiramente.

Os químicos tiveram que encontrar uma maneira de produzir quantidades de tetracloreto de urânio ( UCl
₄ ) de óxido de urânio . (Nier havia usado brometo de urânio.) Inicialmente, eles o produziram usando hidrogênio para reduzir o trióxido de urânio ( UO
₃ ) para dióxido de urânio ( UO
₂ ), que foi então reagido com tetracloreto de carbono ( CCl
₄ ) para produzir tetracloreto de urânio. Charles A. Kraus propôs um método melhor para a produção em grande escala que envolvia a reação do óxido de urânio com tetracloreto de carbono em alta temperatura e pressão. Isso produziu pentacloreto de urânio ( UCl
₅ ) e fosgênio ( COCl
₂ ) Embora longe de ser tão desagradável quanto o hexafluoreto de urânio usado pelo processo de difusão gasosa, o tetracloreto de urânio é higroscópico , então o trabalho com ele teve que ser realizado em caixas de luvas que foram mantidas secas com pentóxido de fósforo ( P
₄ O
₁₀ ) A presença de fosgênio, um gás letal, exigia que os químicos usassem máscaras de gás ao manuseá-lo.

Dos US $ 19,6 milhões gastos em pesquisa e desenvolvimento do processo eletromagnético, US $ 18 milhões (92 por cento) foram gastos no Laboratório de Radiação em Berkeley e outros trabalhos conduzidos na Brown University , Johns Hopkins University e Purdue University , e pela Corporação Tennessee Eastman . Durante 1943, a ênfase mudou da pesquisa para o desenvolvimento, engenharia e treinamento de trabalhadores para operar as instalações de produção da Clinton Engineer Works em Oak Ridge, Tennessee . Em meados de 1944, havia cerca de 1.200 pessoas trabalhando no Laboratório de Radiação.

Projeto

Muito do grande progresso no processo eletromagnético pode ser atribuído ao estilo de liderança de Lawrence. Sua audácia, otimismo e entusiasmo eram contagiantes. Sua equipe trabalhou muitas horas, e os administradores da Universidade da Califórnia acabaram com a burocracia, apesar de não saberem do que se tratava o projeto. Autoridades do governo começaram a ver o desenvolvimento de bombas atômicas a tempo de afetar o resultado da guerra como uma possibilidade genuína. Vannevar Bush , o diretor do OSRD, que supervisionava o projeto, visitou Berkeley em fevereiro de 1942 e achou a atmosfera lá "estimulante" e "revigorante". Em 9 de março de 1942, ele relatou ao presidente, Franklin D. Roosevelt , que poderia ser possível produzir material suficiente para uma bomba em meados de 1943, com base em novas estimativas de Robert Oppenheimer de que a massa crítica de uma esfera de urânio puro -235 estava entre 2,0 e 2,5 quilogramas.

Painéis de controle e operadores para calutrons na fábrica Oak Ridge Y-12 . Os operadores, em sua maioria mulheres, trabalhavam em turnos de 24 horas por dia.

Os experimentos com o ímã de 184 polegadas levaram à construção de um protótipo de calutron chamado XA. Ele continha um ímã retangular de três bobinas com um campo horizontal no qual os tanques de calutron podiam ficar lado a lado, com quatro tanques de vácuo, cada um com uma fonte dupla. Na reunião de 25 de junho de 1942 do Comitê Executivo S-1, que havia substituído o Comitê de Urânio S-1 em 19 de junho, havia uma proposta para construir a usina eletromagnética em Oak Ridge, onde as outras instalações do Projeto Manhattan estariam localizadas, por razões de economia e segurança. Lawrence apresentou uma objeção devido ao seu desejo de ter a planta de separação eletromagnética localizada muito mais perto de Berkeley. A área da Represa Shasta na Califórnia permaneceu sob consideração para a usina eletromagnética até setembro de 1942, quando Lawrence abandonou sua objeção. A reunião de 25 de junho também designou a Stone & Webster como contratada principal para o projeto e engenharia.

O Exército assumiu a responsabilidade pelo Projeto Manhattan em 17 de setembro de 1942, com o Brigadeiro General Leslie R. Groves, Jr. , como diretor, embora o Exército não assumisse formalmente os contratos com a Universidade da Califórnia da OSRD até 1 de maio de 1943. O Major Thomas T. Crenshaw Jr. tornou-se o Engenheiro da Área da Califórnia em agosto de 1942, com o Capitão Harold A. Fidler , que logo o substituiu, como seu assistente. Crenshaw estabeleceu seu escritório no Laboratório Donner na Universidade da Califórnia. Em setembro de 1942, o Comitê Executivo S-1 recomendou que uma planta piloto de cinco tanques fosse construída junto com uma seção de 200 tanques de uma planta de produção.

Entre outubro de 1942 e novembro de 1943, Groves fez visitas mensais ao Laboratório de Radiação em Berkeley. Relatórios indicaram que, comparada às alternativas de uma usina de difusão gasosa ou um reator nuclear produtor de plutônio , uma usina eletromagnética demoraria mais e exigiria mais materiais escassos para ser construída, e precisaria de mais mão de obra e mais eletricidade para operar. O custo de um quilo de material físsil seria, portanto, muito maior. Por outro lado, enquanto os processos alternativos ainda enfrentavam obstáculos técnicos consideráveis, o processo eletromagnético provou funcionar, podendo ser construído em etapas que iniciariam imediatamente a produção de material físsil. Groves cancelou a planta piloto em 14 de novembro, em favor de prosseguir imediatamente com a planta de produção.

O Laboratório de Radiação encaminhou os projetos preliminares para uma planta de produção à Stone & Webster antes do final do ano, mas uma questão importante permaneceu sem solução. Oppenheimer afirmou que o urânio para armas teria que ser 90% de urânio-235 puro. Edward Lofgren e Martin Kamen pensaram que isso não poderia ser alcançado sem um segundo estágio de enriquecimento. Os dois estágios ficaram conhecidos como Alfa e Beta. Em março de 1943, Groves aprovou a construção de cinco pistas Alpha e duas Beta. Em setembro, ele autorizou mais quatro pistas Alpha, que ficaram conhecidas como Alpha II, junto com mais duas pistas Beta para processar seu produto.

Construção

A planta eletromagnética Y-12

A construção da usina eletromagnética em Oak Ridge, com o codinome Y-12 , começou em 18 de fevereiro de 1943. A instalação acabaria compreendendo nove edifícios de processo principais e 200 outras estruturas cobrindo quase 80 acres (32 ha) de espaço. O local de 825 acres (334 ha) em Bear Creek Valley, a sudoeste do município de Oak Ridge, foi selecionado na esperança de que as linhas de crista circundantes pudessem conter uma grande explosão ou acidente nuclear. Problemas com o substrato exigiram que as equipes de escavação executassem mais detonações e escavações para fornecer bases adequadas para o maquinário pesado nas instalações.

Suprimentos e materiais de todos os tipos despejados: 2.157 cargas de equipamentos elétricos, 1.219 de equipamentos pesados, 5.389 de madeira, 1.407 de tubos e conexões, 1.188 de aço, 257 de válvulas e 11 de eletrodos de soldagem. As pistas exigiam 85.000 tubos de vácuo . Sempre que possível, foram usados ​​componentes prontos para uso, mas muitos componentes dos calutrons eram únicos. Dois departamentos de compras foram estabelecidos, um em Boston, perto da Stone & Webster, para equipamentos de instalação, e outro em Oak Ridge, para suprimentos de construção.

O engenheiro-chefe do distrito de Manhattan, coronel James C. Marshall , e seu vice, tenente-coronel Kenneth D. Nichols , descobriram que o processo de separação de isótopos eletromagnéticos exigiria 5.000 toneladas curtas (4.500 toneladas) de cobre , que era extremamente escasso . No entanto, eles perceberam que a prata poderia ser substituída, em uma proporção de 11:10. Em 3 de agosto de 1942, Nichols se reuniu com o subsecretário do Tesouro , Daniel W. Bell , e pediu a transferência de barras de prata do West Point Bullion Depository . Nichols mais tarde recordou a conversa:

Ele explicou o procedimento para transferir a prata e perguntou: "De quanto você precisa?" Eu respondi: "Seis mil toneladas." "Quantas onças troy são isso?", Perguntou ele. Na verdade, eu não sabia como converter toneladas em onças troy, nem ele. Um pouco impaciente, respondi: "Não sei de quantas onças troy precisamos mas sei que preciso de seis mil toneladas - essa é uma quantidade definitiva. Que diferença faz a forma como expressamos a quantidade? "Ele respondeu um tanto indignado:" Jovem, você pode pensar em prata em toneladas, mas o Tesouro sempre pensará em prata em onças troy. "

Por fim, foram usadas 14.700 toneladas curtas (13.300 toneladas; 430 milhões de onças troy) de prata, que valeram mais de US $ 1 bilhão. Nichols teve que fornecer uma contabilidade mensal ao Tesouro. As barras de prata de 31 kg (1.000 onças troy) foram levadas sob vigilância para a Defense Plant Corporation em Carteret, New Jersey , onde foram lançadas em tarugos cilíndricos e, em seguida, para Phelps Dodge em Bayway, New Jersey , onde foram extrudadas em tiras de 0,625 polegadas (15,9 mm) de espessura, 3 polegadas (7,6 cm) de largura e 40 pés (12 m) de comprimento. Cerca de 258 vagões foram enviados sob guarda por ferrovia para Allis-Chalmers em Milwaukee, Wisconsin , onde foram enrolados em bobinas magnéticas e selados em caixas soldadas. Finalmente, eles se mudaram em vagões-plataforma desprotegidos para a Clinton Engineer Works. Lá, procedimentos especiais foram instituídos para o manuseio da prata. Quando precisavam fazer furos, faziam sobre papel para que as limalhas fossem recolhidas. Depois da guerra, todas as máquinas foram desmontadas e limpas e as tábuas do piso sob as máquinas foram rasgadas e queimadas para recuperar pequenas quantidades de prata. No final, apenas 1 / 3.600.000º foi perdido. Em maio de 1970, as últimas 67 toneladas curtas (61 toneladas; 2.000.000 onças troy) de prata foram substituídas por cobre e devolvidas ao Tesouro.

Alpha I Racetrack. Os calutrons estão localizados ao redor do anel.

A pista de corrida XAX com dois tanques e três bobinas estava pronta para treinar trabalhadores em agosto de 1943. Erros foram descobertos, mas não foram acompanhados agressivamente. O primeiro edifício do processo Alpha, 9201-1, foi concluído em 1 de novembro de 1943. Quando a primeira pista foi iniciada para os testes dentro do cronograma em novembro, os tanques de vácuo de 14 toneladas saíram do alinhamento em até 3 polegadas (8 cm ) devido à potência dos ímãs e tiveram que ser fixados com mais segurança. Um problema mais sério surgiu quando as bobinas magnéticas começaram a entrar em curto. Em dezembro, Groves ordenou que um ímã fosse aberto, e punhados de ferrugem foram encontrados lá dentro. A umidade também era um problema por si só, assim como o enrolamento do fio, que estava muito apertado. Groves ordenou que as pistas fossem demolidas e os ímãs enviados de volta à fábrica para serem limpos e rebobinados. Padrões rígidos de preparação e limpeza foram instituídos para evitar a recorrência desses problemas.

O treinamento para as pistas Beta mudou da pista de treinamento e desenvolvimento XAX para a pista de treinamento e desenvolvimento XBX em novembro de 1943. Uma segunda pista Alpha I tornou-se operacional em janeiro de 1944. A primeira pista Beta e a terceira e primeira pista Alpha, agora reparadas, tornaram-se operacionais em março 1944, e a quarta pista alfa em abril de 1944. um terceiro edifício, 9201-3, continha uma quinta pista, que incorporou algumas modificações, e foi conhecido como alfa I ¹ / ₂ . Este tornou-se operacional em 3 de junho de 1944. Os trabalhos nos edifícios de química Alpha e Beta, 9202 e 9203, começaram em fevereiro de 1943 e foram concluídos em setembro. O trabalho na construção do processo Beta, 9204-1, começou em maio de 1943 e estava pronto para operação em 13 de março de 1944, mas não foi concluído até setembro de 1944.

Groves autorizou o Alpha II em setembro de 1943. Consistia em dois novos edifícios de processo Alpha, 9201-4 e 9201-5, outro Beta, 9204-2, uma extensão do edifício de química Alpha e um novo edifício de química Beta, 9206. Quando 9206 inaugurado, o antigo edifício de química Beta, 9203, foi convertido em um laboratório. O trabalho começou nos novos edifícios de processo Alpha II em 2 de novembro de 1943; a primeira pista foi concluída em julho de 1944 e todas as quatro estavam operacionais em 1º de outubro de 1944. As pistas Alpha II foram configuradas em um layout linear em vez de oval, embora ainda fossem chamadas de pistas. Ao todo, havia 864 calutrons Alpha, dispostos em nove pistas de 96. Havia apenas 36 calutrons em cada pista Beta, para um total de 288 calutrons, embora apenas 216 deles tenham sido operados.

O trabalho no novo processo de construção Beta começou em 20 de outubro de 1943. A instalação do equipamento começou em 1 de abril de 1944 e estava pronto para uso em 10 de setembro de 1944. Um terceiro processo de construção Beta, 9204-3, foi autorizado em maio de 1944 para processar o saída da planta de difusão gasosa K-25 . Foi concluído em 15 de maio de 1945. Um quarto edifício de processo Beta, 9204-4, foi autorizado em 2 de abril de 1945 e concluído em 1 de dezembro de 1945. Um novo grupo de edifícios de química Alpha conhecido como o grupo 9207 foi iniciado em junho de 1944, mas o trabalho foi interrompido em junho de 1945 antes de serem concluídos. Junto com esses edifícios principais, havia escritórios, oficinas, armazéns e outras estruturas. Havia duas usinas a vapor para aquecimento e uma usina elétrica para eletricidade.

Operações

Pista de corrida Beta. Essas pistas de segundo estágio eram menores do que as pistas Alpha e continham menos caixas de processo. Observe que o formato oval da pista de corrida Alpha I foi abandonado para facilitar a manutenção.

As pistas de corrida Alpha eram uma ampliação de 24 vezes do calutron XA que podia conter 96 tanques Alpha calutron. Os calutrons estavam em pé e dispostos frente a frente em pares de máquinas internas e externas. Para minimizar as perdas magnéticas e economizar no consumo de aço, o conjunto foi curvado em uma forma oval que formou um circuito magnético fechado de 122 pés (37 m) de comprimento, 77 pés (23 m) de largura e 15 pés (4,6 m) de altura, em forma de pista de corrida; daí o nome. As duas construções alfa I, 9201-1 e 9201-2, cada um continha duas pistas, com apenas um na Alpha eu ¹ / ₂ , 9201-3. As pistas Beta eram menores, de formato linear e otimizadas para recuperação em vez de produção, com apenas 36 em vez de 96 caixas de processo. As quatro pistas de corrida Alpha II também tinham configuração linear. Eles incorporaram muitas melhorias, sendo a mais importante que tinham quatro fontes em vez de apenas duas. Eles também tinham ímãs e sistemas de vácuo aprimorados.

Tennessee Eastman foi contratado para administrar o Y-12 com base no custo usual mais taxa fixa, com uma taxa de $ 22.500 por mês mais $ 7.500 por pista para as primeiras sete pistas e $ 4.000 por pista adicional. Os trabalhadores foram recrutados na área de Knoxville. O recruta típico era uma jovem, recém-formada em uma escola secundária local. O treinamento foi inicialmente conduzido na Universidade do Tennessee . O treinamento mudou para Berkeley de abril a setembro de 1943, onde foi conduzido no calutron XA e um modelo em escala 1:16 da pista de corrida Alpha, e depois para Oak Ridge quando o calutron XAX foi disponibilizado. Cerca de 2.500 operadores seriam necessários quando todos os calutrons Alpha II estivessem disponíveis. A folha de pagamento do Tennessee Eastman em Y-12 aumentou de 10.000 em meados de 1944 para 22.482 em agosto de 1945. Por razões de segurança, os trainees não foram informados da finalidade do equipamento que aprenderam a operar.

Os calutrons foram inicialmente operados por cientistas de Berkeley para remover insetos e atingir uma taxa operacional razoável. Então, os operadores do Tennessee Eastman assumiram. Nichols comparou os dados de produção da unidade e apontou para Lawrence que as jovens operadoras "caipiras" estavam produzindo mais do que seus Ph.Ds. Eles concordaram em uma corrida de produção e Lawrence perdeu, um aumento de moral para as " Calutron Girls " (chamadas de Operadores de Cubículo na época) e seus supervisores. As mulheres foram treinadas como soldados para não raciocinar por quê, enquanto "os cientistas não podiam abster-se de uma investigação demorada da causa das pequenas flutuações dos mostradores".

Pista de corrida Alpha II. Havia quatro assim.

Por um tempo, os calutrons sofreram uma série de avarias debilitantes e falhas de equipamento, agravadas pela falta de peças sobressalentes. A esperança de que as pistas de corrida Alpha II fossem mais confiáveis ​​logo se desvaneceu, pois eram afetadas por falhas de isolador. Esses problemas foram gradualmente superados. Os primeiros embarques de urânio enriquecido para o Laboratório Los Alamos do Projeto Manhattan foram feitos em março de 1944, consistindo de produto Alpha enriquecido com 13 a 15 por cento de urânio-235. Embora inútil em uma bomba, era urgentemente necessária para experimentos com urânio enriquecido. A última remessa do produto Alpha foi feita em 11 de maio de 1944. Em 7 de junho de 1944, o Y-12 fez sua primeira entrega de produto Beta para armas , enriquecido até 89% de urânio-235.

Um grande problema era a perda de matéria-prima e produto. Apenas 1 parte em 5.825 do material de alimentação tornou-se o produto acabado. Cerca de 90 por cento foi respingado nas garrafas de ração ou tanques a vácuo. O problema era particularmente agudo com a alimentação enriquecida dos calutrons Beta. Esforços extraordinários foram feitos para recuperar o produto, incluindo a queima dos revestimentos do receptor de carbono para recuperar o urânio neles. Apesar de tudo, cerca de 17,4% do produto Alpha e 5,4% do produto Beta foram perdidos. Frank Spedding do Laboratório Ames do Projeto Manhattan e Philip Baxter da Missão Britânica foram enviados para aconselhar sobre melhorias nos métodos de recuperação. A morte de um trabalhador por exposição ao fosgênio também motivou a busca por um processo de produção mais seguro.

Em fevereiro de 1945, material de alimentação ligeiramente enriquecido com 1,4% de urânio-235 começou a chegar da planta de difusão térmica líquida S-50 . Os embarques do produto S-50 foram interrompidos em abril. O produto S-50 foi alimentado em K-25 em seu lugar. Em março de 1945, Y-12 começou a receber ração enriquecida a 5 por cento do K-25. A produção dessas plantas foi na forma de hexafluoreto de urânio ( UF
₆ ) Foi convertido em trióxido de urânio, que então entrou no processo usual de conversão em tetracloreto de urânio. Em 5 de agosto de 1945, o K-25 começou a produzir ração enriquecida a 23%, o suficiente para ser alimentado diretamente nas pistas de corrida Beta. O produto Alpha restante foi então alimentado em K-25. Em setembro de 1945, os calutrons haviam produzido 88 quilos do produto com um enriquecimento médio de 84,5 por cento, e as pistas de corrida Beta produziram outros 953 quilos enriquecidos a 95 por cento no final do ano. O urânio enriquecido a partir dos calutrons forneceu o componente físsil da bomba atômica Little Boy , usada no bombardeio atômico de Hiroshima em agosto de 1945.

Com o fim da guerra, as pistas do Alpha começaram a suspender as operações em 4 de setembro de 1945, e cessaram completamente a operação em 22 de setembro. As duas últimas faixas Beta entraram em operação plena em novembro e dezembro de 1945, processando alimentação do K-25 e da nova planta de difusão gasosa K-27. Em maio de 1946, estudos sugeriram que as plantas de difusão gasosa poderiam enriquecer totalmente o urânio por si mesmas, sem criar acidentalmente uma massa crítica. Depois que um julgamento demonstrou que era esse o caso, Groves ordenou que todas as trilhas Beta fossem fechadas em dezembro de 1946.

O custo total do projeto eletromagnético até o final do Projeto Manhattan em 31 de dezembro de 1946 foi de $ 673 milhões (equivalente a $ 8,82 bilhões em 2019).

Anos pós-guerra

A força de trabalho em Y-12 caiu de um pico de guerra de 22.482 em 21 de agosto de 1945 para menos de 1.700 em 1949. Todos os calutrons foram removidos e desmontados, exceto para as pistas de treinamento XAX e XBX no Edifício 9731, e as pistas de corrida Beta 3 em Edifício 9204–3. Em 1947, Eugene Wigner , diretor do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), pediu permissão à Comissão de Energia Atômica para usar os calutrons Beta para produzir isótopos para experimentos de física. A permissão foi concedida e uma ampla gama de isótopos foi produzida. O lítio-6 dos calutrons Beta foi usado para pesquisas em armas termonucleares . Muitos outros isótopos foram usados ​​para fins científicos e médicos pacíficos. As pistas Beta 3 foram transferidas para o ORNL em março de 1950. Em meados da década de 1950, os calutrons Beta produziram quantidades de todos os isótopos estáveis ​​de ocorrência natural, exceto aqueles de ósmio , que tiveram que esperar até abril de 1960. Os calutrons continuaram a produzir isótopos até 1998. Em 2015, eles ainda estavam em espera.

Como os Estados Unidos, a União Soviética (URSS) realizou pesquisas sobre múltiplas tecnologias de enriquecimento para o projeto da bomba atômica soviética . Um processo eletromagnético experimental foi realizado em 1946 com um calutron usando um ímã retirado da Alemanha. Um local foi escolhido para uma planta eletromagnética em Sverdlovsk-45 em 1946. A planta piloto, conhecida como Planta 418, foi concluída em 1948. Um projeto mais eficiente foi desenvolvido em que os feixes de partículas foram dobrados em 225 ° em vez de 180 ° como no calutron americano. Foi usado para completar o processo de enriquecimento de urânio depois que dificuldades técnicas foram encontradas com o processo de difusão gasosa. O urânio enriquecido em cerca de 40 por cento do urânio-235 foi levado para Sverdlovsk-45 para enriquecimento final entre 92 e 98 por cento. Depois que os problemas com o processo de difusão gasosa foram resolvidos em 1950, decidiu-se não prosseguir com uma planta eletromagnética em escala real. Em 2009, ele permanece operacional. Em 1969, um calutron de pesquisa conhecido como S-2 foi construído em Arzamas-16 para a separação de alta eficiência de isótopos de elementos pesados ​​como o plutônio.

Em 1945, o projeto da bomba atômica britânica construiu um calutron de 180 °, semelhante em desenho a um calutron Beta americano, no Atomic Energy Research Establishment em Harwell, Oxfordshire . Devido ao sucesso da planta de difusão gasosa em Capenhurst , a separação eletromagnética não foi perseguida pelo Reino Unido, e o calutron foi usado para separar isótopos para pesquisa. O projeto de 180 ° não era ideal para esse propósito, então Harwell construiu um calutron de 90 °, HERMES, o "Separador Eletromagnético de Elementos Pesados ​​e Material Radioativo". Foi inspirado pelos separadores SIDONIE e PARIS da França no Laboratoire René Bernas da Universidade de Paris IX em Orsay , e PARSIFAL no laboratório de pesquisa militar do Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternativas em Bruyères-le-Châtel . Israel, Japão e França também construíram alguns calutrons de pesquisa, incluindo os separadores SOLIS e MEIRA no Soreq Nuclear Research Center . Há também CERN 's Isotope Separator On-Line Detector (ISOLDE), que foi construído em 1967. calutrons de pesquisa e produção Quatro foram construídas na China Instituto de Energia Atômica em Pequim do design idênticos aos da URSS na década de 1960 . Um calutron do Instituto Saha de Física Nuclear em Bidhan Nagar, na Índia, foi usado para produzir plutônio para o primeiro teste nuclear da Índia em 18 de maio de 1974.

Depois da Guerra do Golfo de 1990–91 , a UNSCOM determinou que o Iraque vinha perseguindo um programa de calutron para enriquecer urânio. O Iraque optou por desenvolver o processo eletromagnético em vez de métodos de enriquecimento mais modernos, econômicos e eficientes porque os calutrons eram mais fáceis de construir, com menos desafios técnicos, e os componentes necessários para construí-los não estavam sujeitos a controles de exportação. Na época em que o programa foi descoberto, o Iraque estava estimado em dois ou três anos longe de produzir material suficiente para armas nucleares. O programa foi destruído na Guerra do Golfo. Consequentemente, o Grupo de Fornecedores Nucleares adicionou o equipamento de separação eletromagnética às suas diretrizes para transferências de equipamentos, materiais e tecnologias de dupla utilização relacionados com a energia nuclear.

Notas

Referências

Leitura adicional

links externos

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