Projeto P-9 - P-9 Project

Planta de produção de água pesada em Sylacauga, Alabama

O P-9 Projeto era o codinome dado durante a II Guerra Mundial ao Projeto Manhattan 's de água pesada programa de produção. A operação da Cominco em Trail, British Columbia , foi modernizada para produzir água pesada. A DuPont construiu três fábricas nos Estados Unidos: na Morgantown Ordnance Works, perto de Morgantown, West Virginia ; nas Obras de Artilharia do Rio Wabash , perto de Dana e Newport, Indiana ; e na Fábrica de Artilharia do Alabama , perto de Childersburg e Sylacauga, Alabama . As usinas americanas operaram de 1943 até 1945. A usina canadense em Trail continuou em operação até 1956. Três reatores nucleares foram construídos usando a água pesada produzida pelo Projeto P-9: Chicago Pile 3 em Argonne , e ZEEP e NRX em Chalk River Laboratories no Canadá.

Origens

Água pesada é uma forma de água que contém uma quantidade maior do que o normal do isótopo de hidrogênio deutério , também conhecido como hidrogênio pesado, em vez do isótopo hidrogênio-1 comum que compõe a maior parte do hidrogênio na água comum. O deutério foi descoberto por Harold Urey em 1931 e mais tarde ele foi capaz de concentrá-lo na água. Seu mentor Gilbert Newton Lewis isolou a primeira amostra de água pura pura por eletrólise em 1933.

Embora tenha sido uma curiosidade científica desde o início, um interesse considerável na água pesada foi despertado em 1939, quando Hans von Halban e Lew Kowarski sugeriram que a água pesada poderia ser usada como moderador de nêutrons em um reator nuclear usando urânio natural . Eles realizaram experimentos com urânio usando água comum, mas descobriram que os átomos de hidrogênio absorviam nêutrons, evitando assim a desejada reação em cadeia. A água pesada, porém, era um moderador ideal. O Escritório de Pesquisa e Desenvolvimento Científico (OSRD) colocou Hugh S. Taylor , um físico britânico da Universidade de Princeton, a cargo da pesquisa de água pesada. Taylor e Urey começaram a procurar meios de produzir água pesada em escala industrial. Para seu projeto de plutônio , Arthur H. Compton solicitou 2 pedras (28 lb; 13 kg) dele. O projeto de água pesada recebeu o codinome de "Projeto P-9" em outubro de 1942.

O problema de usar água pesada era que ela era escassa e os cientistas não podiam adquirir prontamente as quantidades exigidas por um reator. Na Universidade de Columbia, nos Estados Unidos, Enrico Fermi e Leó Szilárd tentaram usar o grafite como moderador. Isso acabou sendo possível, mas a grafite precisava ser muito pura, pois as impurezas, principalmente o boro , tendiam a absorver nêutrons. Em 2 de dezembro de 1942, a equipe de Fermi iniciou a primeira reação em cadeia nuclear auto-sustentável artificial em um reator experimental conhecido como Chicago Pile-1 . Para o Projeto Manhattan , este foi um passo crucial para a fabricação de plutônio em um reator para uso em uma bomba atômica , mas reatores muito maiores foram necessários para a produção em massa.

Trilha

A Cominco estava envolvida na pesquisa de água pesada desde 1934, e a produziu em sua planta de fundição em Trail, British Columbia . Em 26 de fevereiro de 1941, o Canadian National Research Council questionou sobre sua capacidade de produzir água pesada. Isto foi seguido em 23 de julho de 1941 por carta de Taylor que ofereceu um contrato do National Defense Research Committee (NDRC) para produzir 2.000 libras (910 kg), para o qual o NDRC estava preparado para pagar $ 5 por libra para baixo grau e $ 10 para alto - qualidade de água pesada. Na época, estava sendo vendido por até US $ 1.130 o quilo.

O presidente da Cominco, Selwyn G. Blaylock , foi cauteloso. Pode não haver demanda pós-guerra por água pesada, e a patente do processo foi detida por Albert Edgar Knowles, então um acordo de participação nos lucros seria necessário. Em resposta, Taylor ofereceu até US $ 20.000 para modificações na planta. Aí a questão ficou suspensa até 6 de dezembro de 1941, quando Blaylock teve uma reunião com o físico britânico GI Higson, que o informou que Taylor estava desanimado com a Cominco e decidira encontrar uma fonte alternativa de água pesada. Blaylock convidou Taylor para visitar a Trail, o que ele fez de 5 a 8 de janeiro de 1942. Os dois logo encontraram um terreno comum. Blaylock concordou em produzir água pesada em Trail e rapidamente obteve a aprovação do Presidente do Conselho, Sir Edward Beatty . Um contrato foi assinado em 1º de agosto de 1942.

Para a planta existente de $ 10 milhões consistindo de 3.215 células consumindo 75 MW de energia hidrelétrica, células de eletrólise secundária foram adicionadas para aumentar a concentração de deutério na água de 2,3% para 99,8%. Para este processo, Taylor desenvolveu um catalisador de platina sobre carbono para os três primeiros estágios, enquanto Urey desenvolveu um catalisador de níquel- cromo para a torre de quarto estágio. Sete novos terrenos foram adquiridos, totalizando 0,474 acres (0,192 ha), alugados pelo governo dos Estados Unidos. A construção foi realizada pela Stone & Webster . O custo final foi de US $ 2,8 milhões. O governo canadense não teve conhecimento oficial do projeto até agosto de 1942, pouco antes do início da construção, no mês seguinte. Foi concluído em 30 de junho de 1943, a um custo de $ 2.604.622.

A produção aumentou continuamente de 15 libras (6,8 kg) em junho de 1943 para 326 libras (148 kg) em janeiro de 1944, 1.055 libras (479 kg) em janeiro de 1945 e 1.305 libras (592 kg) em janeiro de 1946. O custo operacional da fábrica média de $ 32.979 por mês durante o período de junho de 1943 a dezembro de 1946, quando o Projeto Manhattan foi substituído pela Comissão de Energia Atômica . Isso resultou em US $ 39 por libra. A produção de água pesada da trilha continuou até 1956.

Sites americanos

Planta de produção de água pesada em Sylacauga, Alabama

O Diretor do Projeto Manhattan, Brigadeiro-General Leslie R. Groves, Jr. , havia, em novembro de 1942, recrutado a DuPont como contratante principal para a construção de um complexo de produção de plutônio. Embora os projetos preferidos da DuPont para os reatores nucleares fossem resfriados com hélio e usassem grafite como moderador, a DuPont ainda expressou interesse em usar água pesada como reserva, caso o projeto do reator de grafite se mostrasse inviável por algum motivo. Para isso, estimou-se que seriam necessárias 3 toneladas curtas (2,7 t) de água pesada por mês. Como a planta de Trail, então em construção, poderia produzir 0,5 toneladas curtas (0,45 t) por mês, era necessária mais capacidade.

Groves, portanto, autorizou a DuPont a estabelecer instalações adicionais de água pesada na Morgantown Ordnance Works, perto de Morgantown, West Virginia ; nas Obras de Artilharia do Rio Wabash , perto de Dana e Newport, Indiana ; e na Fábrica de Artilharia do Alabama , perto de Childersburg e Sylacauga, Alabama . Embora conhecidos como Ordnance Works e pagos de acordo com os contratos do Departamento de Ordnance , eles foram construídos e operados pelo Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos . Localizá-los nas usinas de Artilharia economizou o custo de aquisição do terreno, uma vez que já era propriedade do governo, e eles já tinham pessoal e utilidades, incluindo equipamentos de geração de vapor. As três fábricas americanas usaram um processo diferente do da Trail; a água pesada foi extraída por destilação, aproveitando o ponto de ebulição ligeiramente mais alto da água pesada. Este não foi considerado um processo eficiente, mas era conhecido por funcionar e escalar para um processo industrial e, portanto, representava menos risco do que outras propostas. Esperava-se que Morgantown, Wabash e Alabama produzissem 0,4 toneladas curtas (0,36 t), 1,2 toneladas curtas (1,1 t) e 0,8 toneladas curtas (0,73 t) respectivamente de água pesada por mês, com uma concentração de 99,75%.

Morgantown

A Morgantown Ordnance Works (MOW) começou como uma instalação de produção química de 826 acres (334 ha) operada pela DuPont durante a Segunda Guerra Mundial, com a construção da instalação principal começando no verão de 1940. Originalmente produzindo amônia para uso na manufatura de explosivos, o MOW também produziu álcool, hexamina e formaldeído antes de ser expandido para produzir água pesada para uso no Projeto P-9. As obras em Morgantown foram realizadas pela DuPont sob um contrato de custo acrescido de taxa fixa , assim como as obras em Wabash e Alabama. A construção começou em 7 de janeiro de 1943 e foi substancialmente concluída antes da data programada para 1 de setembro. As instalações foram progressivamente colocadas em operação entre 29 de maio e 28 de agosto de 1943. O custo foi de $ 3.490.069. A taxa fixa da DuPont era originalmente de $ 154.882, mas foi voluntariamente reduzida para $ 88.588 porque o custo de construção foi consideravelmente menor do que os $ 6.034.000 originalmente estimados.

A planta de acabamento eletrolítico foi estabelecida em Morgantown porque estava sob o controle da Divisão de Amônia da DuPont. Nessa usina, a produção das usinas de destilação, que era cerca de 90% de água pesada, foi decomposta por eletrólise em hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio leve tende a ser retirado primeiro, deixando a água pesada para trás. Este processo foi repetido em vários estágios para render um produto acabado que era 99,75% de água pesada. Depois que a água atingiu a concentração de 99,75%, a água pesada foi então transportada por ferrovia para a Universidade de Chicago, onde foi usada como um potencial moderador para os primeiros reatores nucleares construídos nos Estados Unidos.

Após o fim da guerra, a DuPont encerrou suas operações no MOW e o local foi alugado para várias empresas químicas até o início dos anos 1950, antes de ficar vago até 1962, quando a área foi comprada da Administração de Serviços Gerais dos Estados Unidos pelo preço de US $ 1,25 milhão pela Associação da Comunidade de Morgantown. A propriedade foi então transferida para a recém-criada Morgantown Ordnance Works, Inc., de propriedade do industrial local JW Ruby, que começou a converter o local em um parque industrial. Em 1984, parte do local foi formalmente proposta para ser adicionada à Lista de Prioridades Nacionais do Superfundo da Agência de Proteção Ambiental (EPA) e foi adicionada à lista dois anos depois, em 1986. A construção de remédios começou em 2001 e incluiu a consolidação de materiais contaminados em um aterro sanitário no local coberto com uma tampa multicamadas. O remédio também incluiu monitoramento de longo prazo e controles institucionais e foi concluído em 2003. Em 21 de agosto de 2018, a EPA removeu as Áreas de Descarte de Obras de Artilharia da Lista de Prioridades Nacionais do Superfundo, juntamente com outros oito locais.

Wabash

A construção começou em 23 de janeiro de 1943 e foi substancialmente concluída em 22 de outubro. As etapas da planta de destilação P-9 tornaram-se operacionais entre 17 de junho e 18 de setembro de 1943. O custo total foi de $ 7.493.157, incluindo a taxa da DuPont de $ 152.472, que foi voluntariamente reduzida de $ 272.776 porque a planta foi construída por substancialmente menos do que os $ 13.665.000 alocados.

Alabama

A construção começou em 11 de fevereiro de 1943 e foi concluída em 15 de novembro. As etapas da planta de destilação P-9 tornaram-se operacionais entre 29 de maio e 4 de setembro de 1943. O custo total foi de $ 3.466.171, incluindo a taxa da DuPont de $ 70.368, que foi voluntariamente reduzida de $ 184.680 porque a planta foi construída por substancialmente menos do que os $ 8.285.000 alocados.

Produção

Chicago Pile-3

As três fábricas americanas nunca alcançaram a produção pretendida de 4.800 libras (2.200 kg) por mês. Uma série de sugestões para melhorar a produção foi considerada e as mais promissoras foram postas em prática. O mais bem-sucedido deles foi a reconstrução das torres do primeiro estágio em Morgantown para reduzir o vazamento, o que resultou em uma melhoria considerável no desempenho. No entanto, nessa época, no início de 1945, decidiu-se que a produção era suficiente, e o custo de fazê-lo nas outras fábricas não poderia ser justificado.

A planta de destilação P-9 no Alabama foi fechada em junho de 1945, a de Wabash em julho e a de Morgantown em agosto. A planta de acabamento eletrolítico em Morgantown foi fechada em setembro. O produto intermediário remanescente quando as fábricas foram fechadas foi enviado para a Trail. Isso resultou em aproximadamente 1.600 libras (730 kg) de produção extra na Trail. Entre fevereiro de 1944 e agosto de 1945, a planta de acabamento eletrolítico de Morgantown, que finalizou o produto para as três plantas, produziu em média 2.277 libras (1.033 kg) por mês, para um total de 43.253 libras (19.619 kg).

A planta de acabamento eletrolítico também processou 3.151 libras (1.429 kg) de água pesada recuperada da Alemanha pela Missão Alsos do Projeto Manhattan . O custo de produção médio mensal foi de $ 72.000 para Morgantown, $ 154.000 no Alabama e $ 197.400 em Wabash, para um total de $ 423.400. Assim, a água pesada custa $ 186 por libra, excluindo o custo de $ 11.967.000 das usinas. Se isso for incluído, custará $ 550 por libra, em comparação com $ 111 por libra na Trail.

O produto intermediário foi despachado de Wabash e Alabama por ferrovia em contêineres de metal lacrados. O produto acabado foi despachado por trem de Morgantown via Monongahela Railway e Trail via Canadian Pacific Railway para o Laboratório Metalúrgico do Projeto Manhattan na Universidade de Chicago . Água pesada de Trail foi usada para Chicago Pile 3 em Argonne , o primeiro reator usando água pesada e urânio natural. Projetado por Eugene Wigner e construído sob a direção de Walter Zinn , tornou-se crítico em 15 de maio de 1944. Uma alocação de água pesada foi usada pelos Laboratórios Chalk River para construir ZEEP sob a direção de Kowarski, que foi crítica em setembro de 1945. Isso foi seguido por seu reator NRX em 1947, que também foi moderado por água pesada. Como o CP-3 e o ZEEP, era usado para pesquisas científicas e não para a produção de plutônio.

A demanda por água pesada aumentou no início dos anos 1950. A instalação de água pesada em Wabash, agora renomeada como Usina Dana pela Comissão de Energia Atômica, foi reaberta, e a DuPont retomou a produção de água pesada em maio de 1952. O local foi usado como planta piloto para um novo processo de produção usando sulfeto de hidrogênio . A instalação de água pesada foi fechada novamente no início de 1957. A instalação e um complexo maior no local de Savannah River cumpriram seu propósito, fornecendo água pesada para os reatores de produção de plutônio em Savannah River.

Notas

Referências