Metalurgická laboratoř (často zkráceně Met Lab, anglicky Metallurgical Laboratory) byla tajná vědecká laboratoř na Chicagské univerzitě. Byla založena v únoru 1942, původně za účelem studia a využití nově objeveného prvku plutonia, ale záhy se stala součástí nově vzniklého projektu Manhattan. V roce 1944 v ní pracovalo přes 2000 vědců a techniků, šlo o jedno z nejvýznamnějších pracovišť projektu vůbec, a po tajné laboratoři v Los Alamos (kam byl v listopadu 1942 z Chicaga přesunut vývoj a konstrukce samotné atomové bomby) jeho největší vědecko-výzkumná základna.
V srpnu 1942 laboratoř jako první chemicky oddělila vážitelný vzorek plutonia a následně se proto zabývala výzkumem chemie a metalurgie plutonia. Ve spolupráci s firmou DuPont vyvinula první průmyslově využitelnou metodu separace plutonia od uranu a zbytků štěpení, tzv. bismut fosfátový proces. Dále navrhla první jaderné reaktory na světě. Ryze experimentální Chicago Pile-1 ověřil proveditelnost řízené štěpné reakce (na tento experiment navazovali reaktory Chicago Pile-2 a Chicago Pile-3). Navrhla rovněž reaktory pro výrobu plutonia: reaktor X-10 v Oak Ridge (krycí označení Site X) a již ryze produkční reaktory B, D a F v Hanfordu (Site Y).
V laboratoři pracovalo několik stávajících a budoucích nositelů Nobelovy ceny: Arthur Compton, Ital Enrico Fermi, Němec James Franck, Glenn Seaborg a Maďar Eugene Wigner. Met Lab byla 1. července 1946 převedena ze správy univerzity do sítě federálně financovaných národních laboratoří jako Argonne National Laboratory (dále sem patří např. Los Alamos National Laboratory nebo Oak Ridge National Laboratory). Práce Met Lab vedla také ke vzniku Institutu Enrica Fermiho (EFI: Enrico Fermi Institute) a Institutu Jamese Francka (JFI: James Franck Institute), oba tyto instituty zůstávají součástí univerzity.
Okolnosti vzniku tajné laboratoře Objev jaderného štěpení uranu německými chemiky Otto Hahnem a Fritzem Strassmannem v prosinci 1938, který krátce poté pojmenovala, popsala a teoreticky vysvětlila Lise Meitnerová ve spolupráci s Otto Frischem otevřel možnost, že neutrony vzniklé štěpením mohou vytvořit řízenou řetězovou jadernou reakci. Na Kolumbijské univerzitě začali italský fyzik Enrico Fermi a maďarský fyzik Leó Szilárd zkoumat, jak by toho bylo možné dosáhnout.
V srpnu 1939 Szilárd vypracoval důvěrný dopis prezidentovi Spojených států Franklinu D. Rooseveltovi, v němž varoval před možností projektu německé jaderné zbraně, a přesvědčil svého starého přítele a spolupracovníka Alberta Einsteina, aby jej spolupodepsal – tzv. Einstein-Szilárdův list. To vedlo k podpoře výzkumu jaderného štěpení ze strany americké vlády, která se postupně rozšiřovala, tak jak válečný konflikt eskaloval a také se rozrůstaly nové poznatky z jaderné fyziky.
V dubnu 1941 požádal mezitím vzniklý Národní výbor pro obranný výzkum (NDRC: National Defense Research Committee) Arthura Comptona, nositele Nobelovy ceny za fyziku a profesora na Chicagské univerzitě, aby podal zprávu o tzv. uranovém programu. Dánský fyzik Niels Bohr (Nobelova cena 1922) a John Wheeler společně publikovali významné články o mechanismu jaderného štěpení a mimo jiné vyslovili předpoklad, že těžké izotopy s lichými protonovými (atomovými) čísly, jako je plutonium-239, jsou štěpné. Italský fyzik Emilio Segrè a Glenn Seaborg vyrobili na Kalifornské univerzitě v květnu 1941 v tamním cyklotronu 28 mikrogramů plutonia a zjistili některé jeho základní vlastnosti.
V cyklotronech však bylo možné vytvořit jen nepatrná množství plutonia 239 a tento postup tak byl zcela nevhodný pro průmyslovou výrobu. Arthur Compton se proto radil s maďarským fyzikem Eugenem Wignerem (který v té době pracoval na Princetonské univerzitě) o tom, jak by se plutonium dalo vyrobit v jaderném reaktoru ostřelováním uranu neutrony. S Robertem Serberem z Illinoiské univerzity pak řešil, jak by plutonium vyrobené v reaktoru dalo oddělit od zbylého uranu, dalších složek původní uranové rudy a štěpných produktů, které při reakci vznikly.
20. prosince 1941, tedy jen několik dní po japonském útoku na Pearl Harbor a následném vstupu USA do války, byl Compton pověřen vedením projektu plutonia. Jeho cílem bylo vyrobit reaktory pro přeměnu uranu na plutonium, najít způsob, jak chemicky oddělit plutonium od uranu, a navrhnout a sestrojit atomovou bombu. Ačkoli žádný reaktor ještě nebyl postaven, vědci již vytvořili několik různých, ale slibných koncepcí. Bylo na Comptonovi, aby rozhodl, který z nich bude realizován. Navrhl velmi ambiciózní plán, jehož cílem bylo dosáhnout řízené řetězové jaderné reakce do ledna 1943 a mít k dispozici atomovou bombu do ledna 1945 (reaktor Chicago Pile-1 byl poprvé spuštěn 2. prosince 1942, tedy ještě před plánovaným termínem, dokončení atomové bomby se oproti tomuto plánu zpozdilo, ale jen o několik měsíců).
Compton měl pocit, že týmy na celkem čtyřech univerzitách (Columbia, Princeton, Chicago a California se příliš dublují a nespolupracují dostatečně. Chtěl proto soustředit práci na jednom místě, ale nikdo se nechtěl stěhovat a každý argumentoval ve prospěch svého místa. V lednu 1942 Compton rozhodl soustředit práci na svém vlastním pracovišti, na Chicagské univerzitě, kde věděl, že má neochvějnou podporu vedení univerzity, zatímco Kolumbijská univerzita byla zapojena také do úsilí o obohacování uranu a váhala, zda přidat další tajný projekt. K rozhodnutí přispěla i centrální poloha Chicaga a rovněž dostupnost vědců, techniků a zařízení na Středozápadě USA, která ještě nebyla ovlivněna přesuny na jiné válečné projekty. Rovněž bydlení bylo snadněji dostupné a vnitrozemské město bylo méně zranitelné vůči nepřátelskému útoku.
Založení tajné laboratoře
Týmy a personál náhled|Arthur Compton, šéf Metalurgické laboratoře a Martin D. Whitaker, ředitel Clinton Laboratories v Oak Ridge. Nové výzkumné pracoviště vzniklo v únoru 1942 a dostalo krycí název “Metallurgical Laboratory“ neboli zkráceně “Met Lab“. Chicagská univerzita skutečně uvažovala o založení výzkumného ústavu pro kovy (po válce tak učinila), takže vznik pracoviště s tímto názvem nevzbudil velkou pozornost. Comptonův plutoniový projekt se pak stal známým jako „Metalurgický projekt“. Laboratoř spravovala Chicagská univerzita na základě smlouvy s Úřadem pro vědecký výzkum a vývoj (OSRD: Office of Scientific Research and Development), který ji financoval. OSRD vznikla jako federální agentura v polovině roku 1941 (její ředitel Vannevar Bush se zodpovídal přímo prezidentovi) a nahradila výše popsanou instituci NDRC.
Na Comptonově metalurgickém projektu, známém také jako „projekt Pile“ nebo „X-10“, se podílelo přes 5000 lidí v celkem 70 výzkumných skupinách, z nichž asi 2000 pracovalo přímo v metalurgické laboratoři v Chicago. Navzdory nabízeným dobrým platům byl nábor kvalifikovaných odborníků obtížný. O vědce, techniky a inženýry se ucházela konkurence z jiných projektů souvisejících s obranou a Chicago (tehdy po New Yorku druhé největší město v USA ) bylo ve srovnání s menšími univerzitními městy drahé.
V rámci projektu zpočátku mimo jiné existovaly tři fyzikální skupiny, které vedli Samuel King Allison, italský fyzik Enrico Fermi (jeho tým postavil v Chicagu první zkušební jaderný reaktor na světě Chicago Pile-1) a Martin D. Whitaker. Chemické oddělení vedl kanadský chemik Frank Spedding, později ho vystřídal Herbert McCoy a poté německý fyzik James Franck. V červnu 1942 Compton pověřil vedením konstrukce bomby Roberta Oppenheimera. V listopadu 1942 se z něj stal samostatný projekt, známý jako Projekt Y, který byl celý přesunut do nově vzniklého tajného města Los Alamos v Novém Mexiku (před příchodem vědců zde existovala jen malá Los Alamos Ranch School).
V srpnu 1942 oficiálně vznikl projekt Manhattan, jeho řízení převzala armáda a byly do něj postupně soustředěny všechny výzkumné, vývojové i výrobní aktivity, které jakkoli souvisely s vývojem atomové bomby, výrobou štěpného materiálu nebo dalšími potřebnými technologiemi. Od 17. února 1943 se přímým nadřízeným Arthura Comptona stal generál Leslie Groves (šéf celého projektu Manhattan) a od května téhož roku armáda kompletně převzala financování a řízení laboratoře (předtím byla Met Lab podřízena sekci S-1 v rámci federální agentury OSRD).
Místa a budovy Zpočátku většinu laboratorních zařízení a budov poskytovala Chicagská univerzita. Fyzikové zabrali prostory pod severní a západní tribunou stadiónu Stagg Field (zde byl později také postaven první reaktor Chicago Pile-1) a v budově Service Building, kde byl cyklotron. Chemici převzali Laboratoř George Herberta Jonese a Kentovu chemickou laboratoř. Zdravotnická skupina zabrala prostory v Anatomy Building, Drexel House, Billings Hospital a Killis Laboratory a administrativní kanceláře byly umístěny do Eckhart Hall.
Leó Szilárd později napsal, že „(pracovní) morálka vědců by se dala téměř zakreslit do grafu spočítáním počtu světel, která svítí večer v kancelářích v Eckhart Hall“. Když projektu přestaly stačit prostory v Eckhart Hall, zabral nedalekou Ryerson Hall. Metalurgická laboratoř nakonec zabírala přibližně 19 000 metrů čtverečních plochy kampusu. V budovách, které laboratoř využívala, byly provedeny úpravy za více než 130 000 dolarů (přibližně 2,35 miliónu USD v cenách roku 2023), ale Chicagská univerzita musela nést také náklady na úpravy pro uživatele, kteří byli kvůli laboratoři přemístěni do jiných, náhradních prostor.
Chicagská univerzita rovněž poskytla projektu Manhattan pozemek na kterém byly tenisové kurty, za symbolický pronájem jednoho dolaru pro výstavbu nové budovy pro chemiky. Firma Stone a Webster zahájila práce v září 1942 a v prosinci byla budova dokončena. Brzy se ukázalo, že je příliš malá, proto k pronájmu byl přidán přilehlý pozemek na němž byla postavena přístavba o větší rozloze než původní budova (dokončena v listopadu 1943). Poté byly provedeny rozsáhlé práce na ventilačním systému, aby laboratoř mohla bezpečněji pracovat s plutoniem.
náhled|Argonne Laboratory v lokalitě s krycím označení Site A. Byly zde postaveny reaktory CP-2 a CP-3. V dubnu 1943 byl dán k dispozici pozemek s ledárnou a stájemi ve vlastnictví univerzity v Chicagu, který dostal krycí označení Site B. Byl přestavěn tak, aby poskytl skoro 6 tisíc metrů čtverečních laboratoři a dílnám pro zdravotnickou a metalurgickou skupinu. V březnu 1944 byla od státu Illinois pronajata 124. polní dělostřelecká zbrojnice, aby poskytla další prostory, a bylo postaveno nebo pronajato dalších asi 33 000 metrů čtverečních prostor za 2 miliony dolarů (přes 33 miliónů v cenách roku 2023).
Jak z důvodu utajení, tak z bezpečnostních důvodů nebylo žádoucí umístit zařízení pro pokusy s jadernými reaktory v hustě obydleném Chicagu (i když první pokusný reaktor byl postaven přímo pod tribunou stadiónu, jak již bylo zmíněno). Pro další experimenty ale Arthur Compton vybral zcela nové místo v Argonnském lese, který je součástí lesní rezervace okresu Cook County, přes 30 kilometrů jihozápadně od centra Chicaga. Místo dostalo krycí označení Site A. Ministerstvo války si od okresu Cook County pronajalo asi 440 hektarů pozemků na „dobu trvání války plus jeden rok“, opět za symbolický jeden dolar. Výstavba zařízení včetně laboratoří a servisních budov a příjezdové cesty byla zahájena v září 1942 a dokončena počátkem roku 1943. Arthur Compton jmenoval Enrica Fermiho prvním ředitelem této nově vzniklé Argonnské laboratoře.
Vývoj experimentálních reaktorů
Chicago Pile-1
náhled|Kresba přibližné podoby prvního reaktoru na stadiónu Stagg Field (z důvodu utajení nebyly pořízeny žádné fotografie). náhled|Stagg Field, Chicagská univerzita, fotbalový stadion byl zbořen v roce 1957.