蟹爪兰无痕嫁接视频:[转帖]通向原子弹之路 2

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第二部 曼哈顿工程


橡树岭


“上校,在国库里,我们计算银的单位不是吨,而是金衡盎司。”
——丹尼尔·贝尔,美国财政部副部长,1943年3月


“铀顾问委员会”成员包括美国国家标准局、陆军和海军的代表,该委员会时常与物理学家和化学家开会讨论原子能和原子武器的发展问题。根据讨论中提出的意见,该委员会向陆军和海军申请适当的款项以购买研究材料。1940年6月,在风闻威廉皇帝物理研究院已经承担了关于铀的庞大研究计划后,又成立了“国防研究委员会”(NDRC,National Defence ResearchCommittee),由OSRD署长布什兼任该委员会主席,铀顾问委员会成为该会下属的一个分支机构。国防研究委员会通过与一些大学和学院订立合同的办法进行工作,最初使用陆海军划拨的经费,后来则从国会拨款委员会得到了专门的预算。

到1941年11月,由于“铀计划”已经变得极为重要,布什决定让铀顾问委员会(此时已改称S-1委员会)脱离NDRC的管辖,直接划归OSRD管理。布什同罗斯福商讨了军用原子能的问题,在扩充计划、调整组织、获得特别经费及与英国交换情报方面得到了罗斯福的批准,随后创立了一个原子弹计划的最高政策小组,成员包括总统本人、副总统华莱士、陆军部长史汀生、参谋总长马歇尔和康南特博士。

到1941年11月为止,所有在实验室进行的研究工作都是利用铀235来实现可控链式反应。铀235是一种稀有的同位素,在天然铀中的含量只有0.7%。在费米的核反应堆中,就是靠这0.7%的铀235实现了核裂变,如果能够从天然铀中进行提纯,去掉较重的铀238,则裂变的几率将大为增强。根据费米的估算,要实现核爆炸,可能需要几公斤到几十公斤纯度90%以上的铀235,但是在此之前人类从未获得过哪怕是超微量的纯铀235,要生产出以“公斤”计的这东西来不啻是天方夜谭。

然而还存在另外一条捷径:用高能中子轰击铀238后可以获得同位素铀239,后者的半衰期约为23分钟,随后嬗变成新元素93(镎),镎是一种不稳定的超铀元素,在2到3天内衰变为钚。1940年3月,以西博格博士(GlennSeaborg)为首的研究小组在加州大学伯克利分校用60英寸回旋加速器加速的氘核轰击铀238,获得了钚239(第106号元素后来以西博格命名,第97和98号元素分别以伯克利和加利福尼亚命名)。对这种物质的分析表明它的临界质量比铀小得多,在同样为球体时大约是后者的1/5左右,而且纯度只需要10%到15%,所以可以用在自然界储量较高的铀238来制造新的核裂变材料。

美国卷入第二次世界大战后,终止了关于原子能动力方面的研究,集中人力物力加快制造原子弹的步伐。在1941年12月16日的最高决策小组会议上,布什建议将当时仍处于分散研究状态的核物理学家和工程师集中到某一地区以提高效率、加强保密工作。他推荐陆军工程兵团统管该地区的建设工作。此后不久,康南特博士又审核了布什的报告,提出了建设生产工厂的问题。当时有6种方法生产裂变物质:用离心法、气体扩散法、液体热扩散法和电磁法来分离铀235,用铀238加石墨或重水反应堆来生产钚239。

1942年6月17日,布什送给罗斯福一份原子弹计划现状的报告,他在报告中指出,制造用于战争的核武器在技术上是可以实现的,并详细说明了生产这种武器的方法,在报告的最后,布什建议“及时把它制造出来以影响当前战争的结局。”罗斯福批准了该报告,次日美国陆军后勤部参谋长斯泰尔少将(W.D.Styer)指定工兵上校马歇尔(JamesMarshall)主管建设一个工程区,来“执行陆军在原子能发展方面的职责”。从这一天开始,“曼哈顿工程”正式启动。当然,此时该工程还不叫这个名字,而是叫“代用材料发展实验室”(Lab. of the Dev. of SubstituteMaterials),直到该年8月,项目负责人之一格罗夫斯上校担心这个名字会引起人们的好奇,建议以马歇尔上校的办公室所在地曼哈顿命名,于是“曼哈顿工程区”就这样诞生了。

1942年9月17日,刚刚完成五角大楼施工项目的陆军工程兵团建筑部副主任格罗夫斯上校被任命为曼哈顿工程的军方负责人,接替即将调任海外的马歇尔上校,同时被提升为准将。格罗夫斯在华盛顿占用了陆军部大厦(现为美国国务院所在地)的5120和5121两个房间,作为曼哈顿工程的总部。

按照曼哈顿工程最初的时间表,将在1942年10月1日开始建造钚反应堆,11月1日开始电磁分离工作,1943年1月1日开始离心分离工作,3月1日开始气体扩散工作。

根据专家估算,裂变物质工厂需要一片广阔无人的土地,此地必须远离东西海岸,和华盛顿、纽约、芝加哥之间的交通往来必须便利,该地必须有大量水源,地价低廉,最后,该地气候条件必须允许全年施工。格罗夫斯最后选中了田纳西州诺克斯维尔附近、濒临田纳西河的克林顿镇(Clinton)为铀工厂厂址,华盛顿州濒临哥伦比亚河的汉福德(Hanford)为钚工厂厂址。

克林顿是个典型的田纳西小镇,到处是散居的农户,只有几家小商店和一所主日学校,该地有公路和铁路与外地相连,交通十分便利,同时罗斯福“新政”时代兴建的田纳西河流域整治工程所建立起来的一系列水电站为该地提供了充足的电力保障。曼哈顿工程在克林顿镇地区征购了54,000英亩土地,由政府按居民产业的全部价值支付征地费和搬迁费。整个厂址起初命名为“克林顿工厂”,直到1943年夏季才改用“橡树岭”作为包括工厂、居民区在内的整片地区的对外通讯名称,但铀工厂的正式名称仍是“克林顿工厂”,直到1947年美国原子能委员会成立后才改名为“橡树岭工厂”。

当时已经研究出几种分离铀235和铀238的方法:化学家尤里(HaroldUrey,氘的发现者,1934年获诺贝尔化学奖)在哥伦比亚大学进行气体扩散试验,劳伦斯(ErnestLawrence,回旋加速器的发明者,1939年获诺贝尔物理学奖,第103号元素以其命名)在加州大学伯克利分校进行电磁分离试验。气体扩散的原理是用泵将六氟化铀气体抽过大约4000多层金属薄膜筛,每个筛子都有无数个微小(小于百万分之一厘米)的小孔,铀235形成的六氟化物分子量较小,因此可以以较快的速度通过筛孔。电磁法则利用回旋加速器的原理,借助铀235和铀238氟化物分子量上的细微差异,使它们在穿过电磁场时弯曲度稍有不同,随之将其分离。橡树岭电磁分离厂中安装了空前巨大的电磁铁,磁极的直径达4.6米,用这种方法终于生产出以公斤计的铀235。离心方法则用离心机将铀235和铀238的混合物高速旋转(每分钟上万转到上百万转),铀238较重而被逐渐甩到外层,然后车削掉最外面极薄的一层纯铀238,随后不断重复这一过程。这种方法当时虽然已经研究出来,但还没有发展到可用于工业生产的程度,为了避免分散精力,格罗夫斯最后决定只在橡树岭建造气体扩散厂(代号K-25)和电磁分离厂(代号Y-12),两厂相距约27公里。

电磁分离厂(Y-12)建在橡树岭的东南部,占地825英亩,动力设备由通用动力公司承包,阿利斯-查尔默斯公司生产磁铁,威斯汀豪斯公司生产操作箱和其他部件,斯通-韦伯斯特公司承包建筑施工。整个工厂在1943年2月开工建设,同年11月投产,建设费用达3.04亿美元。它是克林顿工厂中工人最多的(战时雇员最多达8.2万人),也是战争期间制造出武器级浓缩铀的唯一工厂。

整个Y-12工厂分为三大部分:进行初步浓缩的α车间、进行再提纯的β车间,以及辅助的化学、动力等车间。α车间包括5座厂房,每座厂房安装9座被称为“跑道”的电磁分离装置,每套装置包括96个磁铁和96个气体收集器,β车间则包括3座厂房,每座厂房安装8台“跑道”。这样一共需要6624个巨大的磁铁,如何获得生产这些磁铁所需的铜成了克林顿工厂起步时碰到的最大的难题。如果这些磁铁全都用铜带缠绕,那么Y-12工厂至少需要约12万吨铜。1942年美国全年铜产量为300万吨,但是其中绝大部分用于更紧急的军事项目了,最后格罗夫斯想到了美国财政部的白银。

经过一系列协商,美国财政部同意提供4.7万吨银币,以及3.9万吨银锭(美元银元券纸币的准备金),条件是在战争结束后6个月之内归还同等数目的白银。这些银币和银锭从西点银库中提出来,在严密的保护下运到美国金属精炼公司铸造为短银条,道奇铜制品公司把这些银条做成导流带、磁铁线圈以及类似的各种部件,最后交给阿利斯-查尔默斯公司制造电磁铁。由于保卫工作严密,整个过程(包括后来的生产过程)中没有发生过一起失窃案,价值3亿多美元的8.4万吨白银最后只损失了0.035%,原因是铸造、加工和使用中正常的损耗。

在Y-12工厂投产的最初几个月里,格罗夫斯等人发现了一系列技术问题:磁铁铁芯的银带缠绕得过密,再加上用于冷却的循环油中混进了铁屑,造成了线圈短路;老鼠跑进了真空操作箱;鸟儿、暴风、雷击使得电线短路……最后格罗夫斯不得不加强保卫及废物回收措施,防止怠工者进行破坏(比如将铁屑投入循环油中),同时规定每4周清理一次α车间,每两周清理一次β车间。

气体扩散工厂(K-25)的开工时间比电磁分离工厂晚得多,因为S-1委员会将其优先度排在了电磁分离厂和钚工厂之后。该工厂的核心是几千个分级过滤设备,每套设备里都有用金属滤膜制成的管子,由于涉及到许多当时最先进的化工技术,所以美国最大的化工公司之一联合碳化物公司被指定为生产滤膜及级联过滤设备的主要承包商,扩散泵则由阿利斯-查尔默斯公司生产。由于需要多种频率的电源,更重要的是担心供电线路遭到破坏(气体扩散工厂一旦停工就可能需要几个月才能重新启动,这一点与电磁分离工厂不同,后者停工后只需几天便可重新开工),K-25工厂没有使用田纳西河流域管理局提供的电力,而是单独建立了一座火力发电厂。为了避免气体腐蚀,有人建议将该厂几百英里长的工艺管道全都用镍制造,生产管道设备的克莱斯勒汽车公司经过计算发现,这样的话全世界的镍都不够K-25工厂所用。最后格罗夫斯找了新泽西州的一家小公司,给每个管子都镀了一层厚厚的镍。为了确保安全,在几百英里的管道中一个气孔都不能有,而且这些管道在投产前都经过了外科手术级的清洁工作,格罗夫斯为此又建立了专门的焊接和清洗车间……这样,在投产之前,K-25工厂已经花了2亿美元。

战争末期克林顿工厂还建设了液体热扩散车间,作为气体扩散的辅助生产手段。热扩散的原理是不同分子量的同位素比热不同,这样较轻的铀235将向上流动。1941年夏天,化学家阿贝尔森(PhilipAbleson)已在华盛顿卡内基学院通过这种方式分离出了微量的铀235,海军随后资助了这一试验,并在费城海军船厂建了一个实验工厂。建立一整套热扩散生产设备的话,大约需要20到30亿美元,但是该工艺可以作为取得低浓缩铀的第一步工序,这样就省钱得多。1944年夏天,代号S-50的液体热扩散工厂在K-25工厂旁边开工,前者利用后者的蒸汽,后者利用前者的粗制产品进一步提炼浓缩铀。整个工厂共有21套同位素分离器,每套包括102座长15米的圆管,内为镍管,外为铜管,铜管外部包有白铁冷却水管。

到1945年5月,橡树岭已经为曼哈顿工程提供了足够的铀,用于制造投放在广岛的那颗原子弹,整个生产过程中只有8人因工伤死亡,其中5人触电,1人中毒气,1人被烧伤致死,1人被落下的重物砸死。考虑到整个铀生产的过程中危机四伏,不仅要用到许多危险品和剧毒的化学品(比如碳酰氯/光气、液氮、氟化氢、四氯化碳等等),铀本身及其化合物也有毒性和爆炸性,能够保持这么少的工伤率实在是一件了不起的成就。