Komplex S-50 nebo jen S-50 bylo krycí označení jednoho ze tří komplexů pro obohacování uranu, který byl postaven v rámci projektu Manhattan v tajném atomovém městě Oak Ridge. Každý komplex používal jinou technologii obohacování, v případě S-50 to byla metoda tepelné difuze kapalin a byl to nejmenší komplex, což byl záměr s cílem co nejrychlejší výstavby.
(Oproti S-50, hlavní technologická budova K-25 ve tvaru „U“ s délkou přibližně jedné míle se stala největší budovou světa, komplex Y-12 zase vyžadoval nejvíce zaměstnanců, na směny v nepřetržitém provozu jich v něm nakonec pracovalo až 22 428!)
Problém obohacování uranu Již v počátcích projektu Manhattan vědci identifikovali dva izotopy, vhodné jako štěpný materiál pro atomovou bombu: uran-235 a plutonium-239. V Los Alamos proto souběžně pracovali na dvou velmi odlišných typech bomby: uranový typ (který byl svržen na Hirošimu) a plutoniový (svržen na Nagasaki).
Plutonium se v přírodě prakticky nevyskytuje, patří mezi tzv. transurany, poprvé v naprosto nepatrném miligramovém množství byl připraven v roce 1940, jako čistý kov (rovněž v nepatrném množství) až v roce 1941. Veškeré plutonium bylo proto nutné uměle vyrábět ve třech reaktorech a navazujících komplexech v Hanfordu.
Uran-235 se naopak vyskytuje v přírodní uranové rudě. Podíl uranu v dostupných uranových rudách je ale velice nízký (typicky 0,1 % i méně) a prvním krokem je tedy separace uranu z uranové rudy. Ale i po složitém získání meziproduktu (který zpravidla obsahuje 70 až 90 % uranu) platí, že neobohacený uran má vždy jen velmi malý podíl uranu-235 (přibližně 0,72 %), naprostou většinu tvoří uran-238 (přes 99,27 %) a nepatrný zbytek tvoří další izotop uran-234. Bylo tak nutné zpracovat stovky tisíc tun uranové rudy.
Navíc, fyzikální i chemické vlastnosti izotopů uranu jsou velmi podobné, proto jejich oddělování je velice obtížný a zdlouhavý proces. Pro výrobu elektřiny v současných jaderných elektrárnách se uran obvykle obohacuje jen na 3 až 5 % (existují i reaktory používající neobohacený uran, nejznámější jsou kanadské CANDU). Ale pro uranový typ bomby bylo nutné získat vysoce obohacený uran (kolem 90 % uranu-235).
Návaznost komplexů
Různé technologie byly pro různé komplexy v Oak Ridge použity hlavně proto, že nebylo jisté, jak jednotlivé postupy budou fungovat v průmyslovém měřítku. V projektu Manhattan se chemické a fyzikální vlastnosti izotopů teprve upřesňovaly, což navržení vhodných metod dále ztěžovalo. Dalším důvodem byla snaha maximálně urychlit vývoj a výrobu bomby. Určitou roli však sehrála též rivalita mezi týmy a rovněž mezi různými složkami ozbrojených sil USA
Komplex Y-12 používal metodu elektromagnetické separace, toto zařízení je označováno též jako kalutron (ang. calutron), kterých v komplexu bylo celkem 1152 (speciální druh hmotnostních spektrometrů). Byl uveden do provozu jako první. Komplex S-50 používal metodu tepelné difuze kapalin a byl výrazně menší než zbylé dva komplexy. Původně se s ním nepočítalo, byl vystavěn jako „rychlá výpomoc“ nejprve pro Y-12, po dokončení K-25 výstup z S-50 sloužil jako vstup do K-25 (viz návaznost komplexů popsaná níže). Komplex K-25 používal metodu plynové difuze a byl dokončen poslední (do provozu byl uváděn postupně po částech).
Různé technologie se lišily účinností, výhodami a nevýhodami, během výstavby i provozu se v nich řešily různé problémy. Pro všechny však platilo, že proces obohacování uranu je nesmírný náročný nejen energeticky, ale také na lidské a jiné zdroje. Rovněž je velice zdlouhavý, protože v každém kroku dojde jen k nepatrnému zvýšení koncentrace uranu-235, takže je nutné proces opakovat v řádu tisíců. Např. v případě K-25 byl tzv. obohacovací faktor 1,0043. To je ale teoretické maximum, reálná účinnost byla o dost nižší.
Po dokončení všech tří komplexů se ustálil následující postup. Komplex S-50 začal zpracovávat neobohacený uran a zvýšil podíl izotopu uranu-235 jen na 1,2 % (zčásti to bylo technologií, ale především rozhodnutím o rychlé výstavbě menšího komplexu a zvolenou konfiguraci). Na své rozměry však byl schopen zpracovat velké objemy. Následně obohacení v K-25 se používalo od 1,2 % do 23 % a proces obohacení byl dokončen v Y-12 (od 23 % až po 89 %). Později se zkoušelo obohacení až na 95 %, ale narazilo se na různé problémy.
Zpočátku byly zvažovány a navrhovány ještě další technologie, zejména centrifugy (plynové odstředivky). Propočty však ukázaly, že s tehdejšími technologie by byly málo účinné. V současnosti jsou odstředivky naopak naprosto převažující způsob obohacování uranu, protože vylepšením jak materiálů (např. uhlíková vlákna), tak technologií, jejich účinnost překonala ostatní metody.
Kromě tří komplexů na obohacování uranu byl v lokalitě Oak Ridge postaven ještě také reaktor X-10. Stále ještě šlo o experimentální reaktor, ale již byl navržen pro nepřetržitý provoz a sloužil především k tomu, aby personál projektu Manhattan získal potřebné zkušenosti pro produkci plutonia. Původně zde měly být postaveny i tři, již ryze produkční reaktory (prvním byl reaktor B), ale pro ně byla nakonec vybrána zcela nová lokalita Hanford.
Tepelná difuze kapalin
Metoda je založena na objevech Carla Ludwiga z roku 1856 a Charlese Soreta z roku 1879, že když je v původně homogenním solném roztoku udržován teplotní gradient, po určité době se v roztoku vytvoří také gradient koncentrace. Tento jev byl pojmenován Soretův efekt (případně také Ludwig–Soretův efekt).
Později byl Soretův efekt využit také jako prostředek k separaci izotopů. Tento proces poprvé předvedli Klaus Clusius a Gerhard Dickel v Německu v roce 1938 k separaci izotopů neonu. Použili přístroj zvaný „kolona“, který se skládal z vertikální trubice s horkým drátem uprostřed. V USA tento design vylepšil Arthur Bramley z Ministerstva zemědělství USA použitím soustředných trubek s různými teplotami.
Využití této metody pro obohacování uranu vyvinuly nezávisle Philip Abelson a další vědci z United States Naval Research Laboratory. Tato metoda nebyla původně mezi těmi, které byly vybrány pro použití v Oak Ridge. Testovací provozy k ověření této metody byly postaveny v Naval Support Facility Anacostia ve Washingtonu a v Philadelphia Naval Shipyard.
Poté již následovala výstavba průmyslového provozu v Oak Ridge (všechna tři komplexy dohromady používaly též další krycí pojmenování Clinton Engineer Works neboli CEW). Šlo o jediný kdy postavený průmyslový provoz s metodou tepelné difuze kapalin, protože jeho účinnost byla horší než K-25 nebo Y-12. Ale určitou výhodou menšího komplexu S-50 byla rychlost výstavby a to, že dokázal rychle zpracovat velké objemy uranu, i když za cenu jen mírného obohacení.
Výstavba a provoz S-50
Na počátku roku 1944 se Robert Oppenheimer v Los Alamos dověděl základní informace o výsledcích testovacího provozu ve Filadelfii. Požádal o zaslaní detailní technické zprávy s rozborem výsledků. Ty nevypadaly příliš přesvědčivě, ale Oppenheimer dokázal uvažovat i jinak. Pokud by kolony v závodě ve Filadelfii byly provozovány paralelně namísto sériově, mohly by produkovat 12 kg uranu obohaceného na 1 % denně.
Tak malé zvýšení koncentrace uranu-235 vypadá na první pohled jako neužitečné. Ale Robert Oppenheimer uvažoval takto: jestliže již postavený komplex Y-12 (používající elektromagnetickou separaci) dokázal při použití neobohaceného uranu vyprodukovat jeden gram uranu obohaceného na 40 % denně, pokud by vstupem byl uran obohacený na 1,4 % (tedy přibližně dvojnásobek proti neobohacenému uranu), mohl by denně vyrobit skoro dva gramy, v praxi o trochu méně. (Komplex K-25 se tehdy teprve stavěl, po dokončení byl samozřejmě také využit.)
Dne 28. dubna 1944 proto Robert Oppenheimer napsal Leslie Grovesovi a poukázal na to, že „výroba závodu Y-12 by mohla být zvýšena o 30 až 40 procent a její výkonnost by se mohla poněkud zlepšit, a to o mnoho měsíců dříve, než je plánované datum zahájení výroby v komplexu K-25.“
Leslie Groves získal povolení k obnovení kontaktu s námořnictvem a 31. května 1944 jmenoval revizní komisi, ve které byl i jeho vědecký poradce Richard Tolman. Komise hned následující den navštívila zkušební závod ve Filadelfii. Ve své zprávě uvedla, že Oppenheimer měl ve svých závěrech v zásadě pravdu, ale jeho odhady přímého využití zkušebního provozu byly příliš optimistické.
Komise proto doporučila místo toho postavit plnohodnotný větší provoz přímo v Oak Ridge. Groves proto 12. června požádal o kalkulaci nákladů na takový provoz a na základě výsledků (odhadovaná cena 3,5 milionu dolarů) schválil 24. června 1944 výstavbu. Informoval Military Policy Committee, že nový komplex S-50 bude v provozu do ledna 1945.
Výstavba započala 7. července 1944 a již 16. září (kdy byla dokončena teprve třetina budovy) byla uvedena do provozu první malá část. Testování v září a říjnu odhalilo problémy s netěsnými trubkami. Nicméně všechny kolony byly skutečně nainstalovány a připraveny k provozu v lednu 1945. Stavební smlouva byla ukončena 15. února a zbývající izolační a elektrické práce byly zadány jiným firmám v oblasti Oak Ridge. Plně do provozu byl komplex uveden v březnu 1945 (později se dostavěla ještě nová kotelna).
Hlavní budova komplexu S-50, označená F01, byla tmavá stavba (viz obrázky) o délce 159 metrů, šířce 25 metrů a výšce 23 metrů. Čtyři čerpadla čerpala z řeky 15 000 amerických galonů (asi 57 000 litrů) chladicí vody za minutu. Parní čerpadla byla speciálně navržena společností Pacific Pumps Inc. Nejdříve se využíval výkon již hotové elektrárny z komplexu K-25, jehož hlavní budova se teprve stavěla. Ale jakmile byly spouštěny jednotlivé stupně K-25, byla dostavěna ještě již zmíněná nová kotelna (bílá budova na obrázku) pouze pro potřeby komplexu S-25.
Po válce Leslie Groves (šéf celého projektu Manhattan) zhodnotil význam a přínos komplexu S-50 následovně. Kdybych si uvědomil možnosti tepelné difúze, začali bychom s ní mnohem dříve, věnovali bychom trochu více času návrhu komplexu a postavili bychom ho mnohem větší a lepší. Jeho vliv na naši produkci U-235 by byl znatelnější.
Po válce Po kapitulaci Japonska a definitivnímu konci války se priorita projektu Manhattan přesunula „z rychlosti za každou cenu“ na ekonomiku a efektivitu. Navíc obří komplex K-25 byl v září 1945 již prakticky dokončen (jeho konstrukce byla modulární a jednotlivé části byly uváděny do provozu postupně v průběhu roku). Bylo proto rozhodnuto provoz komplexu S-50 zastavit 9. září 1945 a v provozu zůstaly již jen K-25 a Y-12. Zbylé nevyužité zásoby fluoridu uranového byly přesunuty na zpracování do K-25.
Do 9. září se počet zaměstnanců S-50 snížil z válečného maxima 1600 pracovníků na přibližně 900, na konci září jich zůstalo již pouze 241, poslední zaměstnanci byly propuštěni 16. února 1946. Od května 1946 byl komplex S-50 znovu po omezenou dobu využíván, ale pro jiné účely – v rámci projektu NEPA, ve kterém se zkoumala proveditelnost a využitelnost jaderného pohonu pro letadla.
V rámci projektu NEPA zde společnost Fairchild Aircraft provedla zejména sérii experimentů s berylliem, dále zde byli vyráběny bloky obohaceného uranu a grafitu. Samotný projekt NEPA fungoval až do května 1951, kdy byl nahrazen jiným podobným projektem, ale komplex S-50 přestal být používán již někdy na konci 40. let, kdy byl (jako první ze tří komplexů v Oak Ridge) zdemolován.
Odkazy
Reference
Jones (1985), str. 8–10, 28–29, 508–509 Jones (1985), str. 117–148 Jones (1985), str. 149–171 Jones (1985), str. 172–183 Jones (1985), str. 176 Jones (1985), str. 177 Jones (1985), str. 179
Abelson, Rosen, Hoover (1951), str. 33
Rhodes (1995), str. 552
Hewlett, Anderson (1962), str. 170–172 Hewlett, Anderson (1962), str. 624
Groves (1962), str. 120
Související články Projekt Manhattan Oak Ridge (Tennessee) Komplex K-25 Komplex Y-12
Externí odkazy
The Navy and Thermal Diffusion (United States Department of Energy)
Kategorie:Projekt Manhattan Kategorie:Oak Ridge Kategorie:Jaderné zbraně