235U. К весне 1942 года Гарольд Юри мог отметить в отчете о ходе работ, что «три метода разделения изотопов урана уже вышли на этап инженерного проектирования. Речь идет об английском и американском диффузионных методах и методе центрифугирования»[2124]. В начале 1943 года группа Даннинга, в которой было тогда около 90 человек, получила разрешение на строительство полномасштабной установки, и ее численность возросла до 225[2125]. Метод диффузии Франца Симона работал при низком давлении газа с использованием последовательных десятимодульных ступеней, но требовал чрезвычайно больших насосов; в Колумбийском университете разработали систему высокого давления на более стандартных насосах – непрерывный каскад приблизительно из четырех тысяч взаимосвязанных ступеней. В послевоенных воспоминаниях Гровса описывается эта конструкция, простая и надежная и в то же время дорогостоящая и трудоемкая:
Метод этот был совершенно новым. Он был основан на том теоретическом предположении, что при прокачке уранового газа через пористый барьер более легкие молекулы газа, содержащие 235U, должны проходить через него быстрее, чем более тяжелые молекулы с 238U. Поэтому центральным элементом процесса был барьер, тонкий пористый металлический лист или мембрана с миллионами ультрамикроскопических отверстий на квадратный дюйм. Эти листы сворачивали в трубки, которые были заключены в герметичной емкости, рассеивателе. При пропускании газа, гексафторида урана, через длинную последовательность, или каскад, таких трубок происходило его разделение: обогащенный газ поднимался вверх по каскаду, а обедненный опускался вниз. Однако массы гексафторида 238U и 235U отличаются настолько мало, что получить высокий уровень разделения за одну операцию диффузии было невозможно. Поэтому необходимо было использовать несколько тысяч последовательных ступеней[2126].
Схема такой ступени в разрезе выглядела так:
«Необходимо дальнейшее усовершенствование барьеров, – писал Юри в заключение своего отчета о ходе работ, – но теперь мы уверены, что эта задача может быть решена»[2127]. Однако она еще не была решена, когда Гровс запланировал создание установки газовой диффузии для Манхэттенского проекта стоимостью 100 миллионов долларов; пригодного к использованию барьера еще не было. Американский метод требовал более тонкопористого материала, чем британский; при этом материал этот должен был быть достаточно устойчивым, чтобы выдерживать высокое давление плотного и едкого газа.
В Колумбийском университете экспериментировали с барьерами из меди, но потом, в 1942 году, перешли от нее к никелю, единственному распространенному металлу, устойчивому к коррозионному воздействию гексафторида. Барьеры из спрессованного никелевого порошка получались достаточно прочными, но недостаточно тонкопористыми; сетка, изготовленная методом гальванического осаждения никеля, была достаточно тонкопористой, но недостаточно прочной. Гальванически осажденную сетку разработал англо-американский оформитель-самоучка Эдвард Норрис: исходно она предназначалась для изобретенного им краскопульта нового типа. В 1941 году он присоединился к проекту Колумбийского университета и вместе с химиком Эдвардом Адлером, молодым учеником Юри, приспособил свое изобретение к газовой диффузии. В январе 1943 года казалось, что созданный ими барьер Норриса – Адлера в никелевом варианте можно довести до уровня, пригодного для промышленного применения; тогда в подвале Шермерхорнской лаборатории Колумбийского университета начали сборку пилотной установки, а Гровс дал добро на полномасштабное производство барьеров. 1 апреля, в тот же день, когда в Ок-Ридже начали закрывать ворота, заказ на их производство приняла корпорация Houdaille-Hershey, собиравшаяся построить для этой цели новый завод в Декейтере, штат Иллинойс.
Подходящий материал для барьеров был главной, но не единственной проблемой исследований Колумбийского университета и инженерных разработок Гровса. Гексафторид агрессивно разъедает органические материалы: нельзя было допустить, чтобы на протяжении многих километров труб, насосов и барьеров в газ попала даже одна крупинка жира. Поэтому прокладки насосов необходимо было сделать одновременно непроницаемыми для газов и не использующими смазки; эта задача, которую до тех пор никто никогда не решал, требовала разработки новых типов пластмасс. Материал, из которого в конце концов были изготовлены прокладки, использовавшиеся в Ок-Ридже, получил после войны широкое распространение под фирменным названием тефлона. Одной-единственной, малейшей течи в любой точке многокилометровой системы труб было бы достаточно, чтобы вывести из строя всю установку; Альфред О. Нир разработал портативные масс-спектрометры, которые можно было использовать в качестве высокочувствительных течеискателей. Поскольку на никелевые трубы ушли бы все запасы этого ценного металла, производимого в США, Гровс нашел компанию, готовую обеспечить никелирование внутренней поверхности труб. Для этого использовался сложный новаторский технологический процесс: трубы заполняли электролитом и вращали, пока электрический ток производил осаждение никеля.
Установка, состоящая из нескольких тысяч диффузионных баков, объем самых крупных из которых достигал 3785 литров, не могла не быть громадной: это было четырехэтажной высоты сооружение U-образной формы, почти 800 метров в длину и 320 – в ширину. Площадь крытых помещений составляла более 170 тысяч квадратных метров, более чем в два раза больше, чем суммарная площадь участков всех корпусов «Альфа» и «Бета» комплекса Y-12. Комплекс газовой диффузии, получивший обозначение К-25, не мог поместиться в узкой долине между двумя грядами холмов. Компании Kellex и Union Carbide, взявшие подряд на его строительство и эксплуатацию, нашли сравнительно ровную площадку у реки Клинч, в юго-западном конце территории. Первые геодезические съемки для угольной электростанции, необходимой для установки, начались 31 мая 1943 года.
Вместо проектирования и установки тысяч разных свай для поддержки конструкции строители разровняли и уплотнили весь участок фундамента К-25, для чего им пришлось вскопать, высушить и переместить почти 100 000 кубометров красной глины. Эта работа заняла несколько месяцев; первый бетон – 200 000 кубометров – был залит только 21 октября. К этому времени неудачи в разработке материала, подходящего для изготовления барьеров, привели Гровса к решению отказаться от верхних ступеней еще не построенной установки и ограничить уровень обогащения в ней менее чем до 50 % 235U – при использовании полного набора диффузионных ступеней установка смогла бы обеспечивать переработку природного урана в чистый 235U. Частично обогащенный материал предполагалось затем очищать на калютронах «Бета» комплекса Y-12.
Осенью 1943 года компании Kellex удалось разработать перспективный новый материал для барьеров, который объединял в себе лучшие свойства барьеров Норриса – Адлера и барьеров из прессованного порошкового никеля. Тут стало непонятно, что делать со строившимся в Декейтере заводе Houdaille-Hershey, который должен был производить барьеры Норриса – Адлера. Следует ли его разобрать и переоборудовать для производства новых барьеров ценой некоторой задержки начала работы К-25? Или же поручить всем группам разработки барьеров предпринять последнее объединенное усилие по повышению качества барьеров Норриса – Адлера до пригодного для производства уровня? Гровс и Гарольд Юри яростно спорили по этим вопросам.
Компания Kellex хотела переоборудовать завод Houdaille-Hershey, считая, что лучше задержать начало производства, чем рисковать его полным провалом. Юри считал, что отказ от барьера Норриса – Адлера будет означать, что производство 235U методом газовой диффузии не успеет приблизить окончание войны. В этом случае он не видел смысла продолжать строительство К-25; его высокий приоритет, утверждал он, даже помешал бы другому военному производству, более полезному в близкой перспективе.
Гровс решил передать этот спор на рассмотрение весьма необычной комиссии – специалистов, работавших в области газовой диффузии в Англии. Этой осенью, с возобновлением связей между британской и американской атомными программами, британцы организовали отправку на работу в Америку своих представителей. В эту группу, которую возглавлял Уоллес Акерс из ICI, входили Франц Симон и Рудольф Пайерлс. 22 декабря они встретились с обеими сторонами – представителями Kellex и Колумбийского университета – и взялись за изучение достижений американцев.
Следующее совещание состоялось в начале января 1944 года. Новый барьер, заключили британцы, вероятно, будет лучше, чем барьер Норриса – Адлера, но наличие многомесячных исследований последнего можно считать решающим аргументом в его пользу, если производство важно начать быстро. Новый барьер до этого момента делали только вручную, малыми партиями, а для заполнения им запланированных 2892 ступеней каскада диффузионной установки К-25 его требовались целые гектары[2128].
Тогда компания Kellex пошла на хитрость: она предложила изготавливать новый барьер вручную, поштучно: задействовать несколько тысяч рабочих, каждый из которых будет повторять разработанную в Kellex простую лабораторную процедуру. Компания утверждала, что, работая таким образом, она сможет даже опередить график производства барьеров Норриса – Адлера. Когда британцы оправились от изумления перед столь новаторским предложением, они дали понять, что предпочитают новый барьер, и согласились, что, если его производство возможно, его и следует выбрать. Их одобрение захлопнуло западню; заручившись неявной поддержкой британцев, американские инженеры уточнили, что производство нового барьера будет возможно, только если забрать все оборудование с завода Houdaille-Hershey и полностью отказаться от производства барьеров Норриса – Адлера.