Chicago Pile-1 -Chicago Pile-1

Chicago Pile-1
Koncepcja reaktora	Reaktor badawczy
Zaprojektowany i zbudowany przez	Laboratorium Metalurgiczne
Operacyjny	1942 (80 lat temu) do 1943 (79 lat temu) ( 1942 ) ( 1943 )
Status	zdemontowane
Lokalizacja	Chicago , Illinois , Stany Zjednoczone
Główne parametry rdzenia reaktora
Paliwo ( materiał rozszczepialny )	Naturalny uran
Stan paliwa	stałe (pelety)
Widmo energetyczne neutronów	wolny
Podstawowa metoda kontroli	Pręty sterujące
Główny moderator	Grafit jądrowy (cegły)
Chłodziwo pierwotne	Nic
Wykorzystanie reaktora
Pierwsze użycie	Eksperymentalny
Krytyczność (data)	2 grudnia 1942 r
Operator/właściciel	Projekt University of Chicago / Manhattan
Uwagi	Chicago Pile-1 (CP-1) był pierwszym na świecie sztucznym reaktorem jądrowym
Miejsce pierwszej samopodtrzymującej się reakcji jądrowej
Amerykański Krajowy Rejestr Miejsc Historycznych
Narodowy historyczny punkt orientacyjny Stanów Zjednoczonych
Punkt orientacyjny Chicago
Współrzędne	41°47′33″N 87°36′4″W / 41,79250°N 87,60111°W / 41,79250; -87.60111 Współrzędne: 41°47′33″N 87°36′4″W / 41,79250°N 87,60111°W / 41,79250; -87.60111
Wybudowany	1942
Nr referencyjny NRHP	66000314
Znaczące daty
Dodano do NRHP	15 października 1966 (66000314)
Wyznaczony NHL	18 lutego 1965
Wyznaczony CL	27 października 1971

Chicago Pile-1 ( CP-1 ) był pierwszym na świecie sztucznym reaktorem jądrowym . 2 grudnia 1942 r. , podczas eksperymentu prowadzonego przez Enrico Fermiego , w CP-1 zainicjowano pierwszą samopodtrzymującą się jądrową reakcję łańcuchową wykonaną przez człowieka . Tajne opracowanie reaktora było pierwszym dużym osiągnięciem technicznym Projektu Manhattan , alianckiej próby stworzenia bomby atomowej podczas II wojny światowej . Opracowany przez Laboratorium Metalurgiczne na Uniwersytecie w Chicago , CP-1 został zbudowany pod zachodnimi trybunami widokowymi oryginalnego Stagg Field . Chociaż cywilni i wojskowi przywódcy projektu mieli obawy co do możliwości katastrofalnej ucieczki, zaufali wyliczeniom bezpieczeństwa Fermiego i zdecydowali, że mogą przeprowadzić eksperyment na gęsto zaludnionym obszarze. Fermi opisał reaktor jako „prymitywny stos czarnych cegieł i drewnianych belek”.

Reaktor został zmontowany w listopadzie 1942 roku przez zespół, w skład którego weszli Fermi, Leo Szilard (który wcześniej sformułował pomysł na reakcję łańcuchową bez rozszczepienia ), Leona Woods , Herbert L. Anderson , Walter Zinn , Martin D. Whitaker i George Weil . Reaktor wykorzystywał naturalny uran. Wymagało to bardzo dużej ilości materiału, aby osiągnąć krytyczność, wraz z grafitem używanym jako moderator neutronów . Reaktor zawierał 45 000 bloków ultraczystego grafitu o wadze 360 ​​ton amerykańskich (330 ton ) i był zasilany 5,4 tonami amerykańskimi (4,9 ton) metalicznego uranu i 45 tonami amerykańskimi (41 ton) tlenku uranu . W przeciwieństwie do większości późniejszych reaktorów jądrowych nie miał osłony przed promieniowaniem ani systemu chłodzenia, ponieważ działał przy bardzo małej mocy - około pół wata.

Pogoń za reaktorem została zapoczątkowana obawą, że nazistowskie Niemcy mają znaczną przewagę naukową. Sukces Chicago Pile-1 dostarczył pierwszej żywej demonstracji wykonalności militarnego użycia energii jądrowej przez aliantów oraz realności niebezpieczeństwa, że ​​nazistowskim Niemcom uda się wyprodukować broń jądrową. Wcześniej szacunki mas krytycznych były prymitywnymi obliczeniami, co prowadziło do niepewności rzędu wielkości co do wielkości hipotetycznej bomby. Pomyślne wykorzystanie grafitu jako moderatora utorowało drogę do postępów w wysiłkach aliantów, podczas gdy niemiecki program marniał częściowo z powodu przekonania, że ​​​​do tego celu trzeba będzie użyć rzadkiej i drogiej ciężkiej wody . Niemcy nie uwzględnili znaczenia zanieczyszczeń borem i kadmem w próbkach grafitu, na których przeprowadzili test przydatności grafitu jako moderatora, podczas gdy Leo Szillard i Enrico Fermi pytali dostawców o najczęstsze zanieczyszczenia grafitu po pierwszym nieudany test i w konsekwencji zapewnił, że następny test zostanie przeprowadzony z jednym całkowicie ich pozbawionym. Jak się okazuje zarówno bor, jak i kadm są silnymi truciznami neutronowymi .

W 1943 roku CP-1 został przeniesiony do Red Gate Woods i przekonfigurowany na Chicago Pile-2 (CP-2). Tam był eksploatowany do celów badawczych do 1954 roku, kiedy to został rozebrany i zakopany. Trybuny na Stagg Field rozebrano w sierpniu 1957 roku; miejsce to jest teraz National Historic Landmark i Chicago Landmark .

Pochodzenie

Pomysł na chemiczną reakcję łańcuchową został po raz pierwszy zaproponowany w 1913 roku przez niemieckiego chemika Maxa Bodensteina dla sytuacji, w której dwie cząsteczki reagują, tworząc nie tylko końcowe produkty reakcji, ale także niektóre niestabilne cząsteczki, które mogą dalej reagować z pierwotnymi substancjami, powodując więcej reagować. Koncepcja jądrowej reakcji łańcuchowej została po raz pierwszy wysunięta przez węgierskiego naukowca Leo Szilarda 12 września 1933 r. Szilard zdał sobie sprawę, że jeśli reakcja jądrowa wytwarza neutrony lub dineutrony , które następnie powodują dalsze reakcje jądrowe, proces ten może być samonapędzający się. Szilard zaproponował użycie mieszanin lżejszych znanych izotopów, które wytwarzają duże ilości neutronów, a także rozważał możliwość wykorzystania uranu jako paliwa. W następnym roku złożył patent na swój pomysł prostego reaktora jądrowego. Odkrycie rozszczepienia jądrowego przez niemieckich chemików Otto Hahna i Fritza Strassmanna w 1938 roku oraz jego teoretyczne wyjaśnienie (i nazwanie) przez ich współpracowników Lise Meitner i Otto Frisch , otworzyło możliwość stworzenia jądrowej reakcji łańcuchowej z uranem, ale początkowe eksperymenty były nieudany.

Aby zaszła reakcja łańcuchowa, rozszczepiające się atomy uranu musiały wyemitować dodatkowe neutrony, aby reakcja mogła zajść. Na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku włoski fizyk Enrico Fermi wraz z Amerykanami Johnem Dunningiem , Herbertem L. Andersonem , Eugene'em T. Boothem , G. Norrisem Glasoe i Francisem G. Slackiem przeprowadzili pierwszy eksperyment rozszczepienia jądrowego w Stanach Zjednoczonych 25 stycznia Styczeń 1939. Późniejsze prace potwierdziły, że neutrony prędkie rzeczywiście powstały w wyniku rozszczepienia. Szilard uzyskał pozwolenie od kierownika Wydziału Fizyki Uniwersytetu Columbia, George'a B. Pegrama , na korzystanie z laboratorium przez trzy miesiące i przekonał Waltera Zinna , by został jego współpracownikiem. Przeprowadzili prosty eksperyment na siódmym piętrze Pupin Hall w Kolumbii, używając źródła radu i berylu do bombardowania uranu neutronami. Odkryli znaczące mnożenie neutronów w naturalnym uranie, udowadniając, że reakcja łańcuchowa może być możliwa.

Fermi i Szilard nadal wierzyli, że do zbudowania bomby atomowej potrzebne byłyby ogromne ilości uranu , i dlatego koncentrowali się na wywołaniu kontrolowanej reakcji łańcuchowej. Fermi wezwał Alfreda OC Nier do oddzielenia izotopów uranu w celu określenia składnika rozszczepialnego, a 29 lutego 1940 r. Nier oddzielił pierwszą próbkę uranu-235 , która po przesłaniu pocztą do Dunning w Kolumbii została potwierdzona jako izolowany materiał rozszczepialny . Pracując w Rzymie, Fermi odkrył, że zderzenia między neutronami i moderatorami neutronów mogą spowolnić neutrony, a tym samym zwiększyć prawdopodobieństwo ich przechwycenia przez jądra uranu, powodując rozszczepienie uranu. Szilard zasugerował Fermiemu, aby jako moderator użyli węgla w postaci grafitu . Jako plan awaryjny rozważał ciężką wodę . Zawierał on deuter , który nie absorbowałby neutronów jak zwykły wodór i był lepszym moderatorem neutronów niż węgiel; ale ciężka woda była droga i trudna do wyprodukowania, a może być potrzebnych kilka ton. Fermi oszacował, że rozszczepiające się jądro uranu wytworzyło średnio 1,73 neutronów. To wystarczyło, ale konieczne było staranne zaprojektowanie, aby zminimalizować straty. (Obecnie wiadomo, że średnia liczba neutronów emitowanych na rozszczepione jądro uranu-235 wynosi około 2,4).

Szilard oszacował, że będzie potrzebował około 50 ton amerykańskich (45 ton) grafitu i 5 ton amerykańskich (4,5 tony) uranu. W grudniu 1940 roku Fermi i Szilard spotkali się z Herbertem G. MacPhersonem i Victorem C. Hamisterem w National Carbon , aby omówić możliwe istnienie zanieczyszczeń w graficie oraz zakup grafitu o czystości, która nigdy nie była produkowana komercyjnie. National Carbon, firma chemiczna, podjęła niezwykły wówczas krok i zatrudniła fizyka MacPhersona do badań nad lampami z łukiem węglowym, głównym komercyjnym zastosowaniem grafitu w tamtym czasie. Ze względu na swoją pracę badającą spektroskopię łuku węglowego MacPherson wiedział, że głównym istotnym zanieczyszczeniem był bor, zarówno ze względu na jego stężenie, jak i powinowactwo do pochłaniania neutronów, co potwierdza podejrzenie Szilarda. Co ważniejsze, MacPherson i Hamister wierzyli, że można opracować techniki wytwarzania grafitu o wystarczającej czystości. Gdyby Fermi i Szilard nie skonsultowali się z MacPhersonem i Hamisterem, mogliby dojść do błędnego wniosku, jak zrobili to Niemcy, że grafit nie nadaje się do wykorzystania jako moderator neutronów.

W ciągu następnych dwóch lat MacPherson, Hamister i Lauchlin M. Currie opracowali techniki oczyszczania termicznego do produkcji na dużą skalę grafitu o niskiej zawartości boru. Otrzymany produkt został oznaczony przez National Carbon jako grafit AGOT („ Acheson Graphite Ordinary Temperature”). Przy przekroju poprzecznym absorpcji neutronów wynoszącym 4,97 mbarna grafit AGOT jest uważany za pierwszy prawdziwy grafit klasy jądrowej . Do listopada 1942 roku firma National Carbon wysłała 255 ton amerykańskich (231 ton) grafitu AGOT na Uniwersytet w Chicago, gdzie stał się on głównym źródłem grafitu do budowy Chicago Pile-1.

Wsparcie rządu

Szilard sporządził poufny list do prezydenta Franklina D. Roosevelta , ostrzegając przed niemieckim projektem broni jądrowej , wyjaśniając możliwość broni jądrowej i zachęcając do opracowania programu, który mógłby doprowadzić do ich stworzenia. Z pomocą Eugene'a Wignera i Edwarda Tellera zwrócił się w sierpniu 1939 roku do swojego starego przyjaciela i współpracownika Alberta Einsteina i przekonał go do podpisania listu, dodając jego prestiżu propozycji. List Einsteina-Szilarda zaowocował podjęciem przez rząd USA badań nad rozszczepieniem jądrowym. Komitet Doradczy ds. Uranu został utworzony pod przewodnictwem Lymana J. Briggsa , naukowca i dyrektora Narodowego Biura Norm . W jej pierwszym posiedzeniu 21 października 1939 r. uczestniczyli Szilard, Teller i Wigner. Naukowcy przekonali armię i marynarkę wojenną, aby przekazały Szilardowi 6000 dolarów na zakup materiałów do eksperymentów - w szczególności więcej grafitu.

Pupin Hall na Uniwersytecie Columbia

W kwietniu 1941 roku Narodowy Komitet Badań nad Obronnością (NDRC) stworzył specjalny projekt kierowany przez Arthura Comptona , laureata Nagrody Nobla profesora fizyki na Uniwersytecie w Chicago , w celu złożenia raportu na temat programu uranowego. Raport Comptona, przedłożony w maju 1941 roku, przewidywał perspektywy rozwoju broni radiologicznej , napędu jądrowego statków i broni jądrowej wykorzystującej uran-235 lub niedawno odkryty pluton . W październiku napisał kolejny raport na temat praktyczności bomby atomowej. W tym raporcie pracował z Fermim nad obliczeniami masy krytycznej uranu-235. Perspektywy wzbogacania uranu omawiał także z Haroldem Ureyem .

Niels Bohr i John Wheeler wysunęli teorię, że ciężkie izotopy o nieparzystej masie atomowej są rozszczepialne . Jeśli tak, to prawdopodobnie był to pluton-239 . W maju 1941 roku Emilio Segrè i Glenn Seaborg wyprodukowali 28 μg plutonu-239 w 60-calowym (150 cm) cyklotronie na Uniwersytecie Kalifornijskim i odkryli, że ma on 1,7 razy większy przekrój poprzeczny wychwytu neutronów termicznych niż uran-235. W tamtym czasie w cyklotronach produkowano tylko tak niewielkie ilości plutonu-239 i nie było możliwe wyprodukowanie w ten sposób wystarczająco dużej ilości. Compton dyskutował z Wignerem, w jaki sposób pluton może być produkowany w reaktorze jądrowym , az Robertem Serberem o tym, jak ten pluton można oddzielić od uranu. Jego raport, złożony w listopadzie, stwierdził, że bomba jest wykonalna.

Ostateczna wersja raportu Comptona z listopada 1941 roku nie zawierała wzmianki o plutonie, ale po przedyskutowaniu najnowszych badań z Ernestem Lawrencem Compton był przekonany, że bomba plutonowa jest również wykonalna. W grudniu Compton został szefem projektu plutonu. Jego celem było wyprodukowanie reaktorów do konwersji uranu w pluton, znalezienie sposobów chemicznego oddzielenia plutonu od uranu oraz zaprojektowanie i zbudowanie bomby atomowej. Do Comptona należało podjęcie decyzji, który z różnych typów projektów reaktorów naukowcy powinni realizować, mimo że udany reaktor nie został jeszcze zbudowany. Zaproponował harmonogram osiągnięcia kontrolowanej jądrowej reakcji łańcuchowej do stycznia 1943 r. I posiadania bomby atomowej do stycznia 1945 r.

Rozwój

W czwartą rocznicę sukcesu zespołu, 2 grudnia 1946 roku, członkowie zespołu CP-1 zebrali się na Uniwersytecie w Chicago. Od lewej, tylny rząd: Norman Hilberry , Samuel Allison , Thomas Brill, Robert Nobles, Warren Nyer, Marvin Wilkening. Środkowy rząd: Harold Agnew , William Sturm, Harold Lichtenberger , Leona Woods , Leo Szilard . Pierwszy rząd: Enrico Fermi , Walter Zinn , Albert Wattenberg , Herbert L. Anderson .

W reaktorze jądrowym krytyczność osiąga się, gdy szybkość produkcji neutronów jest równa szybkości strat neutronów, w tym zarówno absorpcji neutronów, jak i wycieku neutronów. Kiedy atom uranu-235 ulega rozszczepieniu, uwalnia średnio 2,4 neutronów. W najprostszym przypadku nierefleksyjnego , jednorodnego, sferycznego reaktora obliczono, że promień krytyczny wynosi w przybliżeniu:

${\ Displaystyle R_ {crit} \ około {\ Frac {\ pi M} {\ sqrt {k-1}}}}$,

gdzie M to średnia odległość, jaką pokonuje neutron, zanim zostanie wchłonięty, a k to średni współczynnik mnożenia neutronów . Neutrony w kolejnych reakcjach zostaną wzmocnione o współczynnik k , druga generacja zdarzeń rozszczepienia wytworzy k ² , trzecia k ³ i tak dalej. Aby zaszła samopodtrzymująca się jądrowa reakcja łańcuchowa , k musi być co najmniej o 3 lub 4 procent większe niż 1. Innymi słowy, k musi być większe niż 1 bez przekroczenia natychmiastowego progu krytycznego , który skutkowałby szybkim, wykładniczym wzrost liczby zdarzeń rozszczepienia.

Fermi ochrzcił swój aparat „stosem”. Emilio Segrè wspominał później, że:

Przez chwilę myślałem, że termin ten był używany w odniesieniu do źródła energii jądrowej w analogii do użycia przez Voltę włoskiego terminu pila na określenie jego własnego wielkiego wynalazku źródła energii elektrycznej. Rozczarował mnie sam Fermi, który powiedział mi, że po prostu użył popularnego angielskiego słowa stos jako synonimu sterty . Ku mojemu zaskoczeniu Fermi nigdy nie pomyślał o związku między swoim stosem a stosem Volty.

Kolejna dotacja, tym razem w wysokości 40 000 USD, została uzyskana od Komitetu Uranowego S-1 na zakup większej ilości materiałów, aw sierpniu 1941 roku Fermi zaczął planować budowę zespołu podkrytycznego, aby przetestować mniejszą konstrukcję, czy większa będzie działać . Tak zwany stos wykładniczy, który proponował zbudować, miał 8 stóp (2,4 m) długości, 8 stóp (2,4 m) szerokości i 11 stóp (3,4 m) wysokości. To było zbyt duże, aby zmieścić się w laboratoriach fizyki Pupina. Fermi przypomniał, że:

Poszliśmy do dziekana Pegrama, który był wówczas człowiekiem, który potrafił czarować po całym uniwersytecie, i wyjaśniliśmy mu, że potrzebujemy dużego pokoju. Rozejrzał się po kampusie, a my poszliśmy z nim do ciemnych korytarzy i pod różne rury grzewcze itd., aby odwiedzić możliwe miejsca tego eksperymentu iw końcu odkryto duży pokój w Schermerhorn Hall .

Jeden z co najmniej 29 eksperymentalnych pali, które zostały zbudowane w 1942 roku pod zachodnimi trybunami Stagg Field. Każdy testowany element włączony do ostatecznego projektu.

Stos został zbudowany we wrześniu 1941 r. Z bloków grafitowych o wymiarach 4 na 4 na 12 cali (10 na 10 na 30 cm) i blaszanych puszek z tlenkiem uranu. Puszki były kostkami o wymiarach 8 na 8 na 8 cali (20 na 20 na 20 cm). Po napełnieniu tlenkiem uranu każdy ważył około 60 funtów (27 kg). W sumie było 288 puszek, a każda była otoczona grafitowymi blokami, więc całość tworzyła sześcienną strukturę kratową. Źródło neutronów radowo-berylowych umieszczono blisko dna. Tlenek uranu ogrzewano w celu usunięcia wilgoci i umieszczano w puszkach, gdy były jeszcze gorące, na wytrząsarce. Puszki zostały następnie zalutowane. Dla siły roboczej Pegram zapewnił usługi drużyny piłkarskiej Columbii . W tamtym czasie piłkarze wykonywali dorywcze prace na terenie uniwersytetu. Mogli z łatwością manipulować ciężkimi puszkami. Ostateczny wynik to rozczarowujące k wynoszące 0,87.

Compton uważał, że posiadanie zespołów na Uniwersytecie Columbia, Uniwersytecie Princeton , Uniwersytecie w Chicago i Uniwersytecie Kalifornijskim powoduje zbyt duże powielanie i niewystarczającą współpracę, i postanowił skoncentrować pracę w jednym miejscu. Nikt nie chciał się ruszać i wszyscy opowiadali się za własną lokalizacją. W styczniu 1942 roku, wkrótce po przystąpieniu Stanów Zjednoczonych do II wojny światowej, Compton zdecydował się na swoją własną lokalizację, University of Chicago, gdzie wiedział, że ma niesłabnące wsparcie administracji uniwersyteckiej. Chicago miało również centralną lokalizację, a naukowcy, technicy i obiekty były łatwiej dostępne na Środkowym Zachodzie , gdzie działania wojenne jeszcze ich nie zabrały. Z kolei Columbia University był zaangażowany w prace nad wzbogacaniem uranu pod kierownictwem Harolda Ureya i Johna Dunninga i wahał się, czy dodać trzeci tajny projekt.

Przed wyjazdem do Chicago zespół Fermiego podjął ostatnią próbę zbudowania działającego stosu w Columbii. Ponieważ puszki pochłonęły neutrony, zrezygnowano z nich. Zamiast tego tlenek uranu, podgrzany do 250 ° C (480 ° F) w celu wysuszenia, został wciśnięty w cylindryczne otwory o długości 3 cali (7,6 cm) i średnicy 3 cali (7,6 cm) wywiercone w graficie. Następnie cały stos puszkowano przez lutowanie wokół niego blachy, a zawartość ogrzewano powyżej temperatury wrzenia wody w celu usunięcia wilgoci. Rezultatem było k równe 0,918.

Wybór witryny

Cieśla Augustus Knuth w trakcie łączenia drewnianego klocka na szkielet drewniany

W Chicago Samuel K. Allison znalazł odpowiednie miejsce o długości 60 stóp (18 m), szerokości 30 stóp (9,1 m) i wysokości 26 stóp (7,9 m), zatopione nieco poniżej poziomu gruntu, w przestrzeni pod trybunami w Stagg Boisko pierwotnie zbudowane jako kort do rakiet . Stagg Field było w dużej mierze nieużywane, odkąd University of Chicago zrezygnował z gry w futbol amerykański w 1939 roku, ale korty rakietowe pod trybunami zachodnimi nadal były używane do gry w squasha i piłkę ręczną . Leona Woods i Anthony L. Turkevich grali tam w squasha w 1940 roku. Ponieważ był przeznaczony do forsownych ćwiczeń, teren był nieogrzewany i zimą bardzo zimny. Pobliskie North Stands miały na parterze dwa lodowiska, które chociaż nie były chłodzone, rzadko topniały zimą. Allison wykorzystała obszar boiska do rakiet, aby zbudować eksperymentalny stos o długości 7 stóp (2,1 m), zanim grupa Fermiego przybyła w 1942 roku.

Korpus Inżynieryjny Armii Stanów Zjednoczonych przejął kontrolę nad programem broni jądrowej w czerwcu 1942 r., a Laboratorium Metalurgiczne Comptona stało się częścią tego, co zaczęto nazywać Projektem Manhattan . Generał brygady Leslie R. Groves Jr. został dyrektorem Projektu Manhattan 23 września 1942 r. Po raz pierwszy odwiedził Laboratorium Metalurgiczne 5 października. Między 15 września a 15 listopada 1942 r. Grupy pod dowództwem Herberta Andersona i Waltera Zinna zbudowały 16 eksperymentalnych pali pod trybunami Stagg Field.

Fermi zaprojektował nowy stos, który byłby kulisty, aby zmaksymalizować k , które przewidywano na około 1,04, osiągając w ten sposób krytyczność. Leona Woods została poproszona o zbudowanie detektorów neutronów z trifluorkiem boru , gdy tylko ukończyła pracę doktorską. Pomogła również Andersonowi zlokalizować wymaganą dużą liczbę belek o wymiarach 4 na 6 cali (10 na 15 cm) w składnicach drewna w południowej części Chicago . Przybyły dostawy grafitu o wysokiej czystości , głównie z National Carbon, oraz dwutlenku uranu o wysokiej czystości z Mallinckrodt w St Louis, które obecnie produkowało 30 ton amerykańskich (27 ton) miesięcznie. W większych ilościach zaczął również napływać uran metaliczny, będący produktem nowo opracowanych technik.

25 czerwca armia i Biuro Badań Naukowych i Rozwoju (OSRD) wybrały miejsce w lesie Argonne niedaleko Chicago pod pilotażową fabrykę plutonu; stało się to znane jako „Miejsce A”. W sierpniu hrabstwo Cook wydzierżawiło 1025 akrów (415 ha) , ale we wrześniu stało się jasne, że proponowane obiekty będą zbyt rozległe dla tego terenu i zdecydowano się zbudować pilotażową fabrykę w innym miejscu. Stosy podkrytyczne stanowiły niewielkie zagrożenie, ale Groves uważał, że rozsądne byłoby zlokalizowanie stosu krytycznego - w pełni funkcjonalnego reaktora jądrowego - w bardziej odległym miejscu. Rozpoczęto budowę budynku w Argonne, który miał pomieścić eksperymentalny stos Fermiego, a jego zakończenie zaplanowano na 20 października. Z powodu sporów przemysłowych budowa opóźniła się i stało się jasne, że materiały na nowy stos Fermiego będą dostępne, zanim nowa konstrukcja zostanie ukończona. Na początku listopada Fermi przybył do Compton z propozycją zbudowania eksperymentalnego stosu pod trybunami na Stagg Field.

CP-1 w budowie: 4 warstwa

Ryzyko zbudowania działającego reaktora pracującego w stanie krytycznym na zaludnionym obszarze było poważnym problemem, ponieważ istniało niebezpieczeństwo katastrofalnego stopienia jądrowego , które pokryje jeden z głównych obszarów miejskich Stanów Zjednoczonych radioaktywnymi produktami rozszczepienia. Fizyka systemu sugerowała jednak, że stos można bezpiecznie zamknąć nawet w przypadku niekontrolowanej reakcji . Kiedy atom paliwa ulega rozszczepieniu, uwalnia neutrony, które uderzają w inne atomy paliwa w reakcji łańcuchowej. Czas między wchłonięciem neutronu a rozszczepieniem mierzony jest w nanosekundach. Szilard zauważył, że ta reakcja pozostawia produkty rozszczepienia, które mogą również uwalniać neutrony, ale robią to w znacznie dłuższych okresach, od mikrosekund do minut. W powolnej reakcji, takiej jak ta w stosie, w którym gromadzą się produkty rozszczepienia, neutrony te stanowią około trzech procent całkowitego strumienia neutronów .

Fermi argumentował, że stosując opóźnione neutrony i ostrożnie kontrolując szybkość reakcji w miarę zwiększania mocy, stos może osiągnąć krytyczność przy szybkościach rozszczepienia nieco niższych niż reakcja łańcuchowa, polegająca wyłącznie na szybkich neutronach z reakcji rozszczepienia. Ponieważ szybkość uwalniania tych neutronów zależy od zdarzeń rozszczepienia zachodzących jakiś czas wcześniej, istnieje opóźnienie między skokami mocy a późniejszym zdarzeniem krytycznym. Tym razem daje operatorom swobodę; jeśli widoczny jest skok w szybkim strumieniu neutronów, mają kilka minut, zanim spowoduje to niekontrolowaną reakcję. Jeśli absorber neutronów lub trucizna neutronów zostanie wstrzyknięty w dowolnym momencie w tym okresie, reaktor zostanie wyłączony. W związku z tym reakcję można kontrolować za pomocą elektromechanicznych systemów sterowania, takich jak pręty kontrolne . Compton uznał, że to opóźnienie wystarczy, aby zapewnić krytyczny margines bezpieczeństwa, i pozwolił Fermiemu zbudować Chicago Pile-1 na Stagg Field.

Compton wyjaśnił później, że:

Jako odpowiedzialny urzędnik Uniwersytetu w Chicago, zgodnie z każdą zasadą protokołu organizacyjnego, powinienem był zgłosić sprawę mojemu przełożonemu. Ale to byłoby niesprawiedliwe. Prezydent Hutchins nie był w stanie dokonać niezależnej oceny związanych z tym zagrożeń. Biorąc pod uwagę dobro Uniwersytetu, jedyną odpowiedzią, jakiej mógł udzielić, byłoby – nie. I ta odpowiedź byłaby błędna.

Compton poinformował Grovesa o swojej decyzji na posiedzeniu Komitetu Wykonawczego S-1 14 listopada. Chociaż Groves „miał poważne obawy co do mądrości sugestii Comptona”, nie wtrącał się. Według doniesień James B. Conant , przewodniczący NDRC, zbielał. Ale ze względu na pilność i zaufanie do obliczeń Fermiego nikt nie sprzeciwił się.

Budowa

CP-1 w budowie: 7 warstwa

Chicago Pile-1 został zamknięty w balonie, aby powietrze w środku mogło zostać zastąpione dwutlenkiem węgla . Anderson miał ciemnoszary balon wyprodukowany przez Goodyear Tire and Rubber Company . Balon w kształcie sześcianu o długości 25 stóp (7,6 m) był dość niezwykły, ale ocena priorytetu AAA Projektu Manhattan zapewniła szybką dostawę bez zadawania pytań. Do wciągnięcia go na miejsce użyto bloku i sprzętu , z górą przymocowaną do sufitu i trzema bokami do ścian. Pozostała strona, ta od strony balkonu, z którego Fermi kierował operacją, była zwinięta jak markiza. Na podłodze narysowano okrąg i rankiem 16 listopada 1942 r. rozpoczęto układanie bloków grafitowych. Pierwsza warstwa ułożona była w całości z bloków grafitowych, bez uranu. Warstwy bez uranu były przeplatane dwiema warstwami zawierającymi uran, więc uran był zamknięty w graficie. W przeciwieństwie do późniejszych reaktorów nie miał osłony przed promieniowaniem ani układu chłodzenia, ponieważ miał działać tylko przy bardzo małej mocy.

Praca odbywała się na dwunastogodzinnych zmianach, z dzienną zmianą pod Zinnem i nocną pod Andersonem. Jako siłę roboczą zatrudnili trzydziestu absolwentów szkół średnich, którzy chcieli zarobić trochę pieniędzy, zanim zostaną powołani do wojska. Obrobili 45 000 bloków grafitowych zawierających 19 000 kawałków uranu metalicznego i tlenku uranu. Grafit przybył od producentów w postaci prętów o wymiarach 4,25 na 4,25 cala (10,8 na 10,8 cm) o różnych długościach. Zostały pocięte na standardowe odcinki o długości 16,5 cala (42 cm), każdy o wadze 19 funtów (8,6 kg). Tokarka została użyta do wywiercenia otworów o średnicy 3,25 cala (8,3 cm) w blokach na pręty sterujące i uran. Prasa hydrauliczna została użyta do ukształtowania tlenku uranu w „pseudosfery”, cylindry z zaokrąglonymi końcami. Wiertła trzeba było ostrzyć po każdych 60 otworach, czyli mniej więcej raz na godzinę. Grafitowy pył wkrótce wypełnił powietrze i sprawił, że podłoga zrobiła się śliska.

Inna grupa, pod dowództwem Volneya C. Wilsona, była odpowiedzialna za oprzyrządowanie. Wyprodukowali również pręty kontrolne , które były arkuszami kadmu przybitymi do płaskich drewnianych listew, przy czym kadm był silnym pochłaniaczem neutronów, oraz linką, liną manilową , która po przecięciu wrzucała pręt kontrolny do stosu i zatrzymywała reakcję. Richard Fox, który wykonał mechanizm drążka kontrolnego stosu, zauważył, że ręczna regulacja prędkości, którą operator miał nad prętami, była po prostu zmiennym rezystorem , sterującym silnikiem elektrycznym , który nawijałby drut bielizny na koło pasowe, które również miało dwa dołączone ołowiane obciążniki, aby zapewnić bezpieczeństwo w razie awarii i powrót do pozycji zerowej po zwolnieniu.

CP-1 w budowie: 10. warstwa

Na jedną zmianę układano około dwóch warstw. Licznik neutronów z trifluorkiem boru Woodsa został umieszczony w 15. warstwie. Następnie odczyty dokonywano na koniec każdej zmiany. Fermi podzielił kwadrat promienia stosu przez intensywność radioaktywności, aby uzyskać metrykę, która odliczała do jednego, gdy stos zbliżał się do krytyczności. Na 15. warstwie było to 390; na 19 było to 320; na 25. było to 270, a na 36. tylko 149. Pierwotny projekt dotyczył kulistego pala, ale w miarę postępu prac stało się jasne, że nie będzie to konieczne. Nowy grafit był czystszy, a 6 ton amerykańskich (5,4 t) bardzo czystego metalicznego uranu zaczęło napływać z projektu Ames na Uniwersytecie Stanowym Iowa , gdzie Harley Wilhelm i jego zespół opracowali nowy proces produkcji uranu metalicznego. Westinghouse Lamp Plant dostarczyła 3 tony amerykańskie (2,7 t), które wyprodukowała w pośpiechu w prowizorycznym procesie.

2,25-calowe (5,7 cm) metalowe cylindry uranowe, znane jako „jaja Speddinga”, zostały wrzucone do otworów w graficie zamiast pseudosfer tlenku uranu. Proces napełniania balonu dwutlenkiem węgla nie byłby konieczny i można by zrezygnować z dwudziestu warstw. Według nowych obliczeń Fermiego, odliczanie osiągnęłoby 1 między 56. a 57. warstwą. Powstały stos był zatem bardziej płaski na górze niż na dole. Anderson ogłosił przerwę po umieszczeniu 57. warstwy. Po ukończeniu drewniana rama podtrzymywała eliptyczną konstrukcję o wysokości 20 stóp (6,1 m), szerokości 6 stóp (1,8 m) na końcach i 25 stóp (7,6 m) w poprzek środka. Zawierał 6 ton amerykańskich (5,4 t) uranu metalicznego, 50 ton amerykańskich (45 t) tlenku uranu i 400 ton amerykańskich (360 t) grafitu, za szacunkowy koszt 2,7 miliona dolarów.

Pierwsza jądrowa reakcja łańcuchowa

Fiasko Chianti zakupione przez Eugene'a Wignera , aby uczcić pierwszą samopodtrzymującą się, kontrolowaną reakcję łańcuchową. Zostało ono podpisane przez uczestników.

Następnego dnia, 2 grudnia 1942 r., wszyscy zebrali się na eksperyment. Obecnych było 49 naukowców. Chociaż większość Komitetu Wykonawczego S-1 znajdowała się w Chicago, obecny był tylko Crawford Greenewalt na zaproszenie Comptona. Inni obecni dygnitarze to Szilard, Wigner i Spedding. Fermi, Compton, Anderson i Zinn zebrali się wokół kontrolek na balkonie, który pierwotnie miał służyć jako platforma widokowa. Samuel Allison stał w pogotowiu z wiadrem stężonego azotanu kadmu, którym miał rzucić na stos w razie niebezpieczeństwa. Uruchomienie rozpoczęło się o godzinie 09:54. Walter Zinn zdjął zamek błyskawiczny, drążek sterowania awaryjnego i zabezpieczył go. Norman Hilberry stał gotowy z toporem do przecięcia liny zabezpieczającej, co pozwoliłoby zamkowi opaść pod wpływem grawitacji. Podczas gdy Leona Woods głośno wywoływała licznik z detektora trifluorku boru, George Weil , jedyny na podłodze, wyciągnął wszystkie pręty kontrolne z wyjątkiem jednego. O 10:37 Fermi nakazał Weilowi ​​usunięcie wszystkich oprócz 13 stóp (4,0 m) ostatniego drążka kontrolnego. Weil cofał go po 6 cali (15 cm) na raz, dokonując pomiarów na każdym kroku.

Proces został nagle zatrzymany przez automatyczne ponowne włożenie drążka sterującego, ponieważ jego poziom wyzwalania był ustawiony na zbyt niski. O 11:25 Fermi nakazał ponowne włożenie prętów kontrolnych. Następnie oznajmił, że jest pora obiadowa.

Eksperyment wznowiono o godzinie 14:00. Weil pracował nad ostatnim prętem kontrolnym, podczas gdy Fermi uważnie monitorował aktywność neutronów. Fermi ogłosił, że stos stał się krytyczny (osiągnął samowystarczalną reakcję) o 15:25. Fermi przełączył skalę rejestratora, aby dostosować się do szybko rosnącego prądu elektrycznego z detektora trifluorku boru. Chciał przetestować obwody kontrolne, ale po 28 minutach zadzwoniły dzwonki alarmowe, aby powiadomić wszystkich, że strumień neutronów przekroczył ustalony poziom bezpieczeństwa, i rozkazał Zinnowi zwolnić zamek błyskawiczny. Reakcja szybko ustała. Stos działał przez około 4,5 minuty przy około 0,5 wata. Wigner otworzył butelkę Chianti , którą wypili z papierowych kubków.

Compton powiadomił Conanta telefonicznie. Rozmowa była zaimprowizowanym kodem:

Compton: Włoski nawigator wylądował w Nowym Świecie.
Conant: Jak tam tubylcy?

Compton: Bardzo przyjazny.

Późniejsza operacja

12 grudnia 1942 r. moc wyjściową CP-1 zwiększono do 200 W, co wystarczyło do zasilenia żarówki. Brak jakiejkolwiek osłony stwarzał zagrożenie promieniowaniem dla wszystkich w pobliżu, dlatego dalsze testy kontynuowano przy mocy 0,5 W. Operację zakończono 28 lutego 1943 r., A stos zdemontowano i przeniesiono do miejsca A w Lesie Argonne, obecnie znany jako Las Czerwonej Bramy . Tam z oryginalnych materiałów zbudowano Chicago Pile-2 (CP-2). Zamiast kulistego, nowy reaktor został zbudowany w kształcie sześcianu, o wysokości około 25 stóp (7,6 m) i podstawie kwadratowej o powierzchni około 30 stóp (9,1 m). Został otoczony betonowymi ścianami o grubości 5 stóp (1,5 m), które działały jako osłona przed promieniowaniem , z ochroną górną z 6 cali (15 cm) ołowiu i 50 cali (130 cm) drewna. Zużyto więcej uranu, więc zawierał 52 tony amerykańskie (47 ton) uranu i 472 tony amerykańskie (428 ton) grafitu. Nie zapewniono żadnego układu chłodzenia, ponieważ działał tylko przy kilku kilowatach. CP-2 zaczął działać w marcu 1943 roku z k 1,055. W czasie wojny Walter Zinn pozwolił na całodobową eksploatację CP-2, a jego konstrukcja nadawała się do prowadzenia eksperymentów. Do CP-2 dołączył Chicago Pile-3 , pierwszy reaktor ciężkowodny, który osiągnął stan krytyczny 15 maja 1944 r.

Pamiątkowy głaz na Stanowisku A

Reaktory służyły do ​​podejmowania badań związanych z bronią, takich jak badania właściwości trytu . Eksperymenty wojenne obejmowały pomiary przekroju poprzecznego absorpcji neutronów przez pierwiastki i związki. Albert Wattenberg wspominał, że każdego miesiąca badano około 10 pierwiastków, aw ciągu roku 75. Wypadek z udziałem proszku radu i berylu spowodował niebezpieczny spadek liczby białych krwinek, który utrzymywał się przez trzy lata. Gdy niebezpieczeństwa związane z wdychaniem tlenku uranu stały się bardziej oczywiste, przeprowadzono eksperymenty dotyczące wpływu substancji radioaktywnych na zwierzęta laboratoryjne.

Chociaż projekt był utrzymywany w tajemnicy przez dekadę, Szilard i Fermi wspólnie go opatentowali, z pierwotną datą zgłoszenia 19 grudnia 1944 r. Jako reaktor neutroniczny nr. 2 708 656.

Red Gate Woods stało się później pierwotną siedzibą Argonne National Laboratory , które 1 lipca 1946 r. zastąpiło Laboratorium Metalurgiczne, którego pierwszym dyrektorem został Zinn. CP-2 i CP-3 działały przez dziesięć lat, zanim przeżyły swoją użyteczność, a Zinn nakazał ich zamknięcie 15 maja 1954 r. Ich pozostałe nadające się do użytku paliwo zostało przeniesione do Chicago Pile-5 w nowej siedzibie Argonne National Laboratory w hrabstwie DuPage , a reaktory CP-2 i CP-3 zostały zdemontowane w 1955 i 1956 roku. Część bloków grafitowych z CP-1/CP-2 została ponownie wykorzystana w reflektorze reaktora TREAT . Wysokoaktywne odpady nuklearne, takie jak paliwo i ciężka woda, zostały wysłane do Oak Ridge w stanie Tennessee w celu utylizacji. Reszta została otoczona betonem i zakopana w rowie o głębokości 40 stóp (12 m) w miejscu znanym obecnie jako miejsce składowania terenu A / działki M. Wskazuje na to pamiątkowy głaz.

Leo Szilard (po prawej) i Norman Hilberry pod tablicą upamiętniającą Chicago Pile-1 na trybunach zachodnich Old Stagg Field. Podczas gdy trybuny zostały później rozebrane, tablica znajduje się obecnie w miejscu pamięci.

W latach siedemdziesiątych XX wieku wzrosło zaniepokojenie społeczne poziomem radioaktywności w miejscu, które było wykorzystywane do rekreacji przez okolicznych mieszkańców. Badania przeprowadzone w latach 80. XX wieku wykazały stront-90 w glebie na działce M, śladowe ilości trytu w pobliskich studniach oraz pluton, technet, cez i uran na tym obszarze. W 1994 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych i Argonne National Laboratory ugięły się pod presją opinii publicznej i przeznaczyły odpowiednio 24,7 miliona dolarów i 3,4 miliona dolarów na rekultywację tego miejsca. W ramach sprzątania usunięto 500 jardów sześciennych (380 m ³ ) odpadów radioaktywnych i wysłano je do składowiska w Hanford w celu utylizacji. Do 2002 roku Departament Zdrowia Publicznego stanu Illinois ustalił, że pozostałe materiały nie stanowią zagrożenia dla zdrowia publicznego.

Znaczenie i upamiętnienie

Udany test CP-1 nie tylko dowiódł, że reaktor jądrowy jest wykonalny, ale wykazał, że współczynnik k był większy niż pierwotnie sądzono. To usunęło zastrzeżenia do stosowania powietrza lub wody jako chłodziwa zamiast drogiego helu. Oznaczało to również większą swobodę w doborze materiałów na przewody chłodzące i mechanizmy sterujące. Wigner posunął się teraz naprzód ze swoim projektem reaktora produkcyjnego chłodzonego wodą. Pozostały obawy co do zdolności reaktora moderowanego grafitem do produkcji plutonu na skalę przemysłową iz tego powodu Projekt Manhattan kontynuował rozwój obiektów do produkcji ciężkiej wody . Reaktor chłodzony powietrzem, X-10 Graphite Reactor , został zbudowany w Clinton Engineer Works w Oak Ridge jako część półfabrykatu plutonu, a następnie większe, chłodzone wodą reaktory produkcyjne w zakładzie Hanford w stanie Waszyngton . Do lipca 1945 roku wyprodukowano wystarczającą ilość plutonu na bombę atomową, aw sierpniu na dwa kolejne.

Tablica pamiątkowa została odsłonięta na Stagg Field 2 grudnia 1952 r., Z okazji dziesiątej rocznicy przejścia CP-1 w stan krytyczny. Brzmiało to następująco:

2 grudnia 1942 roku człowiek dokonał tu pierwszej samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej i tym samym zapoczątkował kontrolowane uwalnianie energii jądrowej.

Tablica została uratowana, gdy w sierpniu 1957 r. Zburzono trybuny zachodnie . 18 lutego 1965 r. Teren CP-1 został wyznaczony jako Narodowy Zabytek Historyczny . Kiedy w 1966 r. Utworzono Krajowy Rejestr Miejsc Historycznych , został on natychmiast dodany do tego również. Witryna została również nazwana Chicago Landmark w dniu 27 października 1971 r.

Dziś miejsce starego Stagg Field zajmuje uniwersytecka biblioteka Regenstein , która została otwarta w 1970 r., oraz biblioteka Joe i Rika Mansueto , która została otwarta w 2011 r. Rzeźba Henry'ego Moore'a , Nuclear Energy , stoi w małym czworoboku na zewnątrz Biblioteka Regenstein w miejscu dawnego kortu do rakiet z zachodnimi trybunami widokowymi. Poświęcono go 2 grudnia 1967 roku dla upamiętnienia 25. rocznicy krytycznego przejścia CP-1. W pobliżu znajdują się tablice pamiątkowe z lat 1952, 1965 i 1967. Grafitowy blok z CP-1 można zobaczyć w Bradbury Science Museum w Los Alamos w Nowym Meksyku ; inny jest wystawiony w Muzeum Nauki i Przemysłu w Chicago. W dniu 2 grudnia 2017 r., W 75. rocznicę, Massachusetts Institute of Technology , odnawiając stos grafitu badawczego, podobny w projekcie do Chicago Pile-1, uroczyście włożył ostatnie kulki uranu.

Notatki

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Początek jutra: historia Chicago Pile 1, pierwszego stosu atomowego na YouTube - wideo AEC 1967
• Zdjęcia CP-1 zarchiwizowane 27 lutego 2021 r. w Wayback Machine The University of Chicago Library Archive. Zawiera zdjęcia i szkice CP-1.
• Film przedstawiający zachodnie trybuny Stagg Field, Institute for the Study of Metals (Laboratorium Metalurgiczne), Enrico Fermi oraz aktywny eksperyment z użyciem CP-1
• Pierwszy stos 11-stronicowa opowieść o CP-1
• „Wspomnienia z pierwszej ręki dotyczące pierwszej samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej” . Departament Energii . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 27 marca 2019 r . Źródło 23 września 2015 r .Film przedstawiający dwóch ostatnich żyjących pionierów CP-1, Harolda Agnew i Warrena Nyera.
• Pliki audio Fermiego opowiadającego o sukcesie reaktora w 10. rocznicę w 1952 roku