Calutron

En calutron er et massespektrometer anvendes til adskillelse af isotoper af uran. Den blev udviklet af Ernest O. Lawrence under Manhattan-projektet, og svarede til cyklotron opfundet af Lawrence. Dens navn er en sammenkædning af Cal. U.-tron, i hyldest til University of California, Lawrence institut og entreprenøren i Los Alamos laboratoriet. De implementeret skala berigelse af uran industrielle på Oak Ridge Y-12 anlægget er etableret under krigen og forudsat meget af den uran, der anvendes til "Little Boy" kernevåben, som blev kastet over Hiroshima i 1945.

I et massespektrometer, er en fordampet prøve bombarderet med høj energi elektroner, som forårsager de prøvekomponenter at blive positivt ladede ioner. De bliver så accelereres ved elektriske felter og efterfølgende afbøjet af magnetfelter i sidste ende kolliderer med en plade og producerer en målelig elektrisk strøm. Da ioner af forskellige isotoper har samme elektriske ladning, men forskellige masser, er de tungere isotoper bøjet mindre af magnetfeltet, hvilket strålen af ​​partikler, der udskilles i flere bjælker efter masse, slående pladen på forskellige steder. Massen af ​​ionerne kan beregnes i overensstemmelse med styrken af ​​feltet og ladningen af ​​ioner. En almindelig massespektrometer er designet til at analysere sammensætningen af ​​meget små prøver; Den calutron anvender det samme princip, men er designet til at adskille betydelige mængder kendte isotoper.

Oprindeligt en type calutron kendt som Alpha blev brugt; det beriget uran til ca. 15% U. En senere design, kaldet beta yderligere beriget produktionen af ​​Alpha, optimere oprindelige design for de mindre mængder af allerede beriget råvare.

På grund af den krigstidens kobber mangel blev elektromagneter lavet ved hjælp af tusindvis af tons sølv lånt fra det amerikanske finansministerium. At drage fuld fordel af den krævede store elektromagnet, blev flere calutrons anbragt omkring det i et stort ovalt, kaldes en racerbane på grund af sin form.

Magnetisk separation blev senere opgivet til fordel for mere kompliceret, men mere effektiv, gasdiffusion metode.

Calutrons og Manhattan-projektet

Uran isotopseparation

Verden mangler ikke metoder til at udskille isotoper, når det opdaget den mulige nytte af et kilo uran-235. Kendte teknikker, forfølges samtidigt i Tyskland og USA, omfattede ultra-centrifugering, diffusion tværs termiske eller osmotiske barrierer tryk, og afbøjning i elektriske og magnetiske felter. Den sidste metode appellerede til Lawrence, der havde gjort sit omdømme på præcis styring af bjælker af ladede partikler. Princippet er enkelt: Ved passage mellem polerne af en magnet, en monoenergetisk stråle af ioner af naturligt forekommende uran deler sig i flere strømme i henhold til deres momentum, én pr isotop, hver kendetegnes ved et bestemt krumningsradius; indsamling kopper ved enderne af de halvrunde baner fange de homogene strømme.

De fleste fysikere i 1941 tvivlede på, at elektromagnetisk adskillelse ville lykkes i praksis, fordi de forventede, at den gensidige frastødning af lignende ladede ioner vil forhindre dannelsen af ​​smalle bjælker. Uanset, Lawrence, som havde set en linje af positivt ladede ioner hælde fra hans cyklotron, havde 37-tommers cyklotron modificeret til at demonstrere muligheden for elektromagnetiske adskillelse af uranisotoper der anvender massen spektrograf. "Det vil ikke være en katastrofe," skrev han Compton, hvis uran viste sig at have nogen militære formål; men hvis "fantastisk positiv, og vi ikke får dem først, kan resultaterne for vores land vel være en tragisk katastrofe." I december 1941 uran ionstrålen blev passeret 5 mikroampere til opkøber; en lille mængde, men nok til at sikre, at Lawrence rumladningen ville ikke være en formidabel problem.

Den omstændighed, at stråler af uran ioner kunne koncentreres godt nok til opnåelse af små mængder isotoper er egnede til laboratorieforsøg på ingen måde sikker på, at elektromagnetisk separationsproces kunne arbejdet på industriel målestok nødvendigt at foretage et kilo U. Processen har meget lidt at arbejde på kun den lille forskel i masse: 1,25% mellem uran 235 og 238. Fordi de lysere ioner reagerer lidt mere på magnetfeltet end tungere, deres baner bøjning i en strammere bue. Ved afslutningen af ​​deres halvcirkelformet rejser, ioner af U er mere rigelige på indersiden end på ydersiden af ​​strålen. Den maksimale separation, selv i det ideelle tilfælde er lille, kun en tiendedel inch for en bue med en diameter på 37 inches. Faktiske bjælker er langt fra ideel.

Alfa calutron

Mange tekniske problemer skulle løses, før selv en prototype kunne testes inden for den næsten afsluttet 184-tommer magnet. Bjælkerne, selvom af lav effekt, kunne smelte solfangerne under lange timers drift; vandkøling blev installeret for samlere og tanken liner. Lysbuer blev udtænkt til at ionisere uran tetrachlorid feed. Måder blev udtænkt til at udtrække den berigede uran, der indsamles på modtageren, og stadig værdifuldt fodermiddel, der kondenseret sammen med chlorid "gunk" over hele indersiden af ​​tanken. Skrabere blev gjort til at rengøre exit spalter af foderet kilder regelmæssigt for at undgå den akkumulerede "CRUD" fra at reducere stråle styrke. Lawrences optimistiske konklusion: ved efteråret 1942 ti calutrons, hver med en 100-milliampere kilde, og alle opererer inden for 184-tommer marken, ville producere fire gram beriget uran om dagen. S-1 Uran udvalget, at overså projektet uran til Office for videnskabelig forskning og udvikling anbefalede expending $ 12 millioner til at skabe et anlæg med 25 gange sådanne inden efteråret 1943. Lawrence tvivlede ikke, at andre midler, især produktion af fissilt reaktor plutonium, i sidste ende kan være den mest effektive vej til en bombe. I midten af ​​1942 ingen reaktor arbejdede, og calutron gjorde.

Den calutron design afviklet på i 1942, kaldet "alpha", i henhold til berigning af naturligt uran til ca. 15% U. Meget indsats gik i at designe kraftfulde ionkilder og rammende formet, til sidst parabolske indsamle slots. De mange ændringer og sikkerhedskoder spredt finurlig navne: kilder Platon, Cyclops, Bicyclops, og Fedtmule parret med modtagere Gloria, Irene, Mona, eller Zulu. Ioner fra Platon og hans venner gennemkøres en bue 48 inches i radius for at nå samlerobjekter spalter placeret 0,6 tommer fra hinanden. Det ledende magnetfelt blev shimmed ikke af den gamle sorte kunst, men i lydighed mod beregningerne. Præcist bearbejdet og installeret, de shims i høj grad øget brugbar stråle, der nåede samlere.

Opskalering på Oak Ridge

Blandt resultater opnået med den 184-tommers magnet var et design overlegen det til store calutrons, den såkaldte "XA". Prototypen af ​​magneterne skal installeres på Oak Ridge, XA var en rektangulær, tre-spolemagneten giver en horisontal område, hvor de calutron tanke kunne stå side-by-side. Det havde plads til fire alpha tanke, hver med en dobbelt kilde. I foråret 1943 overbevist om, at tyskerne kunne være forude, besluttede General Leslie Groves at springe den planlagte pilotanlægget: procedurer for alfa drift på Oak Ridge kom fra XA og en skalamodel af produktionen magneten alene. Test af den første fuldskala installeret der, XAX, var planlagt til juli.

Foråret og forsommeren 1943 bragte hundredvis af praktikanter til Berkeley fra Tennessee Eastman Company, operatøren for Oak Ridge anlægget. Laboratoriet arbejdede for at sikre, at de test XA magnet system og alfa-enheder arbejdede i april på trods af forsinkelser i leveringen af ​​stål. Mellem april og juli træningen kørte kontinuerligt. I juni en migrering, at ved 1944 ville nå 200 startet for Oak Ridge. Laboratorieundersøgelser udgifter oversteg en halv million dollars om måneden.

Den første bølge af Berkeley arbejdstagere på Oak Ridge måtte se, at XAX magneten arbejdede. Så kører kunne begynde på det første produktionssystem, eller "racerbane"; en 24-fold forstørrelse af XA der kunne holde 96 calutron alfa tanke. For at minimere magnetiske tab og stålforbruget, blev forsamlingen buede i en oval 122 fod lang, 77 fod bred og 15 fod høj. Ønsker af kobber for de store spoler til at producere de magnetiske felter bedt en mulig løsning kun i krigstid: Groves lånte 14.700 short tons af rent sølv fra en regering hvælving til formålet; alle blev senere vendte tilbage, de sidste par tons i 1970. Sent i sommeren 1943 XAX var klar til test. Efter en uge med vanskelighed, det ryddet hurdle for fuld skala racetrack kørsler.

De to første af fem planlagte racerbaner startede i november og mislykkedes fra forurenet køling olie; den anden blev halter i januar, men produceret 200 gram uran beriget til 12% U ved udgangen af ​​februar 1944 en femtedel af den samlede målsætning om et kilogram beriget uran per måned. I april fire racerbaner fungerede, herunder reparerede nummer 1. De krævede konstant opmærksomhed. Mange mennesker fra Laboratoriet hjalp ændre enheder til at nå produktions- mål.

De calutrons blev oprindeligt drevet af forskere fra Berkeley til at fjerne fejl og opnå en rimelig drift sats. Så Tennessee Eastman operatører, der kun havde en high-school uddannelse overtog. Kenneth Nichols sammenlignet enhed produktionsdata, og påpegede til Ernest Lawrence at de unge "hillbilly" pige operatører var outproducing hans Ph.Ds. De blev enige om at en produktion race og Lawrence tabt, en moral boost for Tennessee Eastman arbejdere og vejledere. Pigerne blev trænet som soldater til ikke at grunden til, mens "forskerne ikke kunne afstå fra tidskrævende undersøgelse af årsagen til selv små udsving i de ringer". Ansvaret for drift gået helt til Tennessee Eastman efter foråret 1944 og laboratoriet personale på Oak Ridge vendt deres opmærksomhed mod redesigne calutron systemet til højere effektivitet.

Den beta calutron

Mange ved Laboratoriet, især Edward Lofgren og Martin Kamen, troede, at en anden fase ville være nødvendigt for at nå det krævede berigelse. Groves godkendte ideen. I foråret 1943 under træning på Berkeley for alfa operationer begyndte design på den anden eller beta fase. Fordi beta ville kun den berigede produkt af alfa som foder, ville det forarbejde forholdsmæssigt mindre materiale; dens stråle derfor ikke behøver at være så bred, eller dets dimensioner som store, som alfa s. Beta design understregede nyttiggørelse, ikke kun af den yderligere beriget output, men også af den allerede beriget foder. De første enheder blev prøvet på Oak Ridge i slutningen af ​​februar 1944 men kilderne skulle redesignet, og selv inden juni vanskeligheder fortsatte med at inddrive den dyrebare beta-feed strøet hele calutron. Proceseffektiviteter holdt lav: kun 4 eller 5 procent af U i foderet endte i outputtet. En bedre kilde til beriget uran foder vil skulle findes for at skabe de 10 kg eller deromkring af 90 procent U, at Robert Oppenheimer mente nødvendige for en bombe.

Den gasformige procedure for separation af uranisotoper, der var forbruges flere penge end calutron diffusion, havde ikke opfyldt sine design mål i slutningen af ​​1944. Groves besluttet, at det ikke kunne tælles på at producere høj berigelse, og at uanset hvad det gjorde producere ville skal suppleres med andre mindre beriget uran og behandles gennem beta calutrons. At forøge calutron foder, Manhattan Engineering District bygget yderligere en fabrik i Oak Ridge, denne ene arbejder ved termisk diffusion, en metode udviklet af Philip Abelson.

Våben-grade uran

I den kritiske produktion periode i de første måneder af 1945 de calutrons, især de seks betaer af 36 kampvogne hver, produceret våben-grade U med foder fra de modificerede alfa calutrons, den lille output fra gasdiffusions- anlægget, og hvad den nye termisk proces havde at tilbyde. Stort set alle U sendt med kurer på toget til Chicago og videre til Los Alamos, New Mexico havde passeret gennem beta calutrons. Fra disse forsendelser Oppenheimers fysikere samlet bomben, der var at ødelægge Hiroshima.

Moderne calutrons

Efter Golfkrigen 1990 UNSCOM fastslået, at Irak havde ført en calutron program til at berige uran. Irak valgte at udvikle programmet over mere moderne, økonomiske og effektive metoder til berigelse, fordi det ville kræve færre import. På det tidspunkt, hvor programmet blev opdaget, Irak var en række år væk fra at udvikle materiale til våben, men programmet blev ødelagt i Golfkrigen.

Calutron patenter

De vigtigste calutron patenter fremgangsmåder og et apparat til separering af materialer, Magnetiske shims, og calutron system.

  0   0
Forrige artikel Dobbelt-stop
Næste artikel Ammotrechidae

Kommentarer - 0

Ingen kommentar

Tilføj en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn tilbage: 3000
captcha