Chicago-Stapel-1 -Chicago Pile-1

Chicago Stapel-1
Stagg-Feldreaktor.jpg
Reaktorkonzept Forschungsreaktor
Entworfen und gebaut von Metallurgisches Labor
Betriebsbereit 1942 (vor 80 Jahren) bis 1943 (vor 79 Jahren) ( 1942 ) ( 1943 )
Status Demontiert
Ort Chicago , Illinois , USA
Hauptparameter des Reaktorkerns
Brennstoff ( spaltbares Material ) Natürliches Uran
Kraftstoffzustand Feststoff (Pellets)
Neutronenenergiespektrum langsam
Primäre Kontrollmethode Kontrollstäbe
Hauptmoderator Kerngraphit (Ziegel)
Primäres Kühlmittel Keiner
Reaktornutzung
Hauptnutzen Experimental
Kritikalität (Datum) 2. Dezember 1942
Betreiber/Eigentümer University of Chicago / Manhattan-Projekt
Bemerkungen Der Chicago Pile-1 (CP-1) war der erste künstliche Kernreaktor der Welt
Ort der ersten selbsterhaltenden Kernreaktion
Chicago Pile-1 befindet sich im Großraum Chicago
Chicago Stapel-1
Koordinaten 41°47′33″N 87°36′4″W / 41.79250°N 87.60111°W / 41.79250; -87,60111 Koordinaten: 41°47′33″N 87°36′4″W / 41.79250°N 87.60111°W / 41.79250; -87,60111
Gebaut 1942
NRHP-Referenz-  Nr. 66000314
Wichtige Daten
Zu NRHP hinzugefügt 15. Oktober 1966 (66000314)
Ausgewiesene NHL 18. Februar 1965
Ausgewiesener CL 27. Oktober 1971

Chicago Pile-1 ( CP-1 ) war der erste künstliche Kernreaktor der Welt . Am 2. Dezember 1942 wurde während eines von Enrico Fermi geleiteten Experiments in CP-1 die erste von Menschen verursachte selbsterhaltende nukleare Kettenreaktion initiiert . Die geheime Entwicklung des Reaktors war die erste große technische Errungenschaft für das Manhattan-Projekt , das Bemühen der Alliierten , während des Zweiten Weltkriegs Atombomben zu bauen . CP-1 wurde vom Metallurgical Laboratory der University of Chicago entwickelt und unter den westlichen Aussichtsständen des ursprünglichen Stagg-Feldes errichtet . Obwohl die zivilen und militärischen Leiter des Projekts Bedenken hinsichtlich der Möglichkeit einer katastrophalen außer Kontrolle geratenen Reaktion hatten, vertrauten sie Fermis Sicherheitsberechnungen und entschieden, dass sie das Experiment in einem dicht besiedelten Gebiet durchführen könnten. Fermi beschrieb den Reaktor als "einen groben Haufen aus schwarzen Ziegeln und Holzbalken".

Der Reaktor wurde im November 1942 von einem Team zusammengebaut, dem Fermi, Leo Szilard (der zuvor eine Idee für eine Nichtspaltungskettenreaktion formuliert hatte ), Leona Woods , Herbert L. Anderson , Walter Zinn , Martin D. Whitaker und George angehörten Weil . Der Reaktor verwendete natürliches Uran. Dies erforderte eine sehr große Menge an Material, um die Kritikalität zu erreichen, zusammen mit Graphit, das als Neutronenmoderator verwendet wurde . Der Reaktor enthielt 45.000 ultrareine Graphitblöcke mit einem Gewicht von 360 Tonnen (330 Tonnen ) und wurde mit 5,4 Tonnen (4,9 Tonnen) Uranmetall und 45 Tonnen (41 Tonnen) Uranoxid befeuert . Im Gegensatz zu den meisten nachfolgenden Kernreaktoren hatte es kein Strahlungsschutz- oder Kühlsystem, da es mit sehr geringer Leistung betrieben wurde – etwa einem halben Watt.

Das Streben nach einem Reaktor war durch die Besorgnis ausgelöst worden, dass Nazideutschland einen erheblichen wissenschaftlichen Vorsprung hatte. Der Erfolg von Chicago Pile-1 lieferte die erste anschauliche Demonstration der Durchführbarkeit der militärischen Nutzung der Kernenergie durch die Alliierten und der realen Gefahr, dass es Nazi-Deutschland gelingen könnte, Atomwaffen herzustellen. Zuvor waren Schätzungen kritischer Massen grobe Berechnungen gewesen, die zu Unsicherheiten in der Größenordnung der Größe einer hypothetischen Bombe führten. Die erfolgreiche Verwendung von Graphit als Moderator ebnete den Weg für Fortschritte in den Bemühungen der Alliierten, während das deutsche Programm teilweise aufgrund der Überzeugung dahinsiechte, dass knappes und teures schweres Wasser für diesen Zweck verwendet werden müsste. Die Deutschen hatten es versäumt, die Bedeutung von Bor- und Cadmiumverunreinigungen in den Graphitproben zu berücksichtigen, an denen sie ihren Test auf Verwendbarkeit als Moderator durchführten, während Leo Szillard und Enrico Fermi die Lieferanten nach einer Premiere nach den häufigsten Verunreinigungen von Graphit befragt hatten Test nicht bestanden und folglich sichergestellt, dass der nächste Test ohne sie durchgeführt wird. Wie sich herausstellt, sind sowohl Bor als auch Cadmium starke Neutronengifte .

1943 wurde CP-1 nach Red Gate Woods verlegt und in Chicago Pile-2 (CP-2) umkonfiguriert. Dort wurde es bis 1954 zu Forschungszwecken betrieben, dann demontiert und vergraben. Die Tribünen am Stagg Field wurden im August 1957 abgerissen; Die Stätte ist heute ein nationales historisches Wahrzeichen und ein Chicago Landmark .

Ursprünge

Die Idee einer chemischen Kettenreaktion wurde erstmals 1913 vom deutschen Chemiker Max Bodenstein für eine Situation vorgeschlagen, in der zwei Moleküle reagieren, um nicht nur die endgültigen Reaktionsprodukte zu bilden, sondern auch einige instabile Moleküle, die eine weitere Reaktion mit den ursprünglichen Substanzen verursachen können mehr zu reagieren. Das Konzept einer nuklearen Kettenreaktion wurde erstmals am 12. September 1933 von dem ungarischen Wissenschaftler Leo Szilard angenommen . Szilard erkannte, dass, wenn eine Kernreaktion Neutronen oder Dineutronen erzeugte , die dann weitere Kernreaktionen verursachten, der Prozess sich selbst fortsetzen könnte. Szilard schlug vor, Mischungen aus leichteren bekannten Isotopen zu verwenden, die Neutronen in reichlichen Mengen erzeugten, und erwog auch die Möglichkeit, Uran als Brennstoff zu verwenden. Im folgenden Jahr meldete er seine Idee eines einfachen Kernreaktors zum Patent an. Die Entdeckung der Kernspaltung durch die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann im Jahr 1938 und ihre theoretische Erklärung (und Benennung) durch ihre Mitarbeiter Lise Meitner und Otto Frisch eröffnete die Möglichkeit, eine nukleare Kettenreaktion mit Uran zu erzeugen, aber erste Experimente waren es erfolglos.

Damit eine Kettenreaktion ablaufen konnte, mussten spaltende Uranatome zusätzliche Neutronen emittieren, um die Reaktion am Laufen zu halten. An der Columbia University in New York führte der italienische Physiker Enrico Fermi zusammen mit den Amerikanern John Dunning , Herbert L. Anderson , Eugene T. Booth , G. Norris Glasoe und Francis G. Slack am 25 Januar 1939. Nachfolgende Arbeiten bestätigten, dass schnelle Neutronen tatsächlich durch Spaltung erzeugt wurden. Szilard erhielt vom Leiter der Physikabteilung an der Columbia, George B. Pegram , die Erlaubnis, ein Labor für drei Monate zu nutzen, und überredete Walter Zinn , sein Mitarbeiter zu werden. Sie führten im siebten Stock der Pupin Hall in Columbia ein einfaches Experiment durch , bei dem sie eine Radium-Beryllium-Quelle verwendeten, um Uran mit Neutronen zu bombardieren. Sie entdeckten eine signifikante Neutronenvervielfachung in natürlichem Uran, was beweist, dass eine Kettenreaktion möglich sein könnte.

Fermi und Szilard glaubten noch, dass für eine Atombombe enorme Mengen an Uran benötigt würden und konzentrierten sich daher darauf, eine kontrollierte Kettenreaktion hervorzurufen. Fermi forderte Alfred OC Nier auf, Uranisotope zur Bestimmung der spaltbaren Komponente zu trennen, und am 29. Februar 1940 trennte Nier die erste Uran-235- Probe, die nach Versand an Dunning in Columbia als isoliertes spaltbares Material bestätigt wurde . Als er in Rom arbeitete, hatte Fermi entdeckt, dass Kollisionen zwischen Neutronen und Neutronenmoderatoren die Neutronen verlangsamen können und dadurch die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass sie von Urankernen eingefangen werden, wodurch das Uran gespalten wird. Szilard schlug Fermi vor, Kohlenstoff in Form von Graphit als Moderator zu verwenden. Als Backup-Plan zog er schweres Wasser in Betracht . Dieser enthielt Deuterium , das Neutronen nicht wie gewöhnlicher Wasserstoff absorbieren würde und ein besserer Neutronenmoderator als Kohlenstoff war; aber schweres Wasser war teuer und schwierig zu produzieren, und es könnten mehrere Tonnen davon benötigt werden. Fermi schätzte, dass ein spaltender Urankern im Durchschnitt 1,73 Neutronen produzierte. Es war genug, aber ein sorgfältiges Design war erforderlich, um Verluste zu minimieren. (Heute ist bekannt, dass die durchschnittliche Anzahl von Neutronen, die pro spaltendem Uran-235-Kern emittiert werden, etwa 2,4 beträgt).

Szilard schätzte, dass er etwa 50 Tonnen (45 t) Graphit und 5 Tonnen (4,5 t) Uran benötigen würde. Im Dezember 1940 trafen sich Fermi und Szilard mit Herbert G. MacPherson und Victor C. Hamister bei National Carbon , um das mögliche Vorhandensein von Verunreinigungen in Graphit und die Beschaffung von Graphit mit einer Reinheit zu besprechen, die noch nie kommerziell hergestellt worden war. National Carbon, ein Chemieunternehmen, hatte den damals ungewöhnlichen Schritt unternommen, MacPherson, einen Physiker, einzustellen, um Kohlebogenlampen zu erforschen, eine wichtige kommerzielle Anwendung für Graphit zu dieser Zeit. Aufgrund seiner Arbeit zur Untersuchung der Spektroskopie des Kohlebogens wusste MacPherson, dass die wichtigste relevante Verunreinigung Bor war, sowohl aufgrund seiner Konzentration als auch seiner Affinität zur Absorption von Neutronen, was einen Verdacht von Szilard bestätigte. Noch wichtiger war, dass MacPherson und Hamister glaubten, dass Techniken zur Herstellung von Graphit mit ausreichender Reinheit entwickelt werden könnten. Hätten Fermi und Szilard MacPherson und Hamister nicht konsultiert, wären sie möglicherweise wie die Deutschen fälschlicherweise zu dem Schluss gekommen, dass Graphit für die Verwendung als Neutronenmoderator ungeeignet sei.

In den nächsten zwei Jahren entwickelten MacPherson, Hamister und Lauchlin M. Currie thermische Reinigungstechniken für die großtechnische Produktion von Graphit mit niedrigem Borgehalt. Das resultierende Produkt wurde von National Carbon als AGOT-Graphit (" Acheson Graphite Ordinary Temperature") bezeichnet. Mit einem Neutronenabsorptionsquerschnitt von 4,97 mbarn gilt der AGOT-Graphit als der erste echte nukleare Graphit . Bis November 1942 hatte National Carbon 255 Tonnen (231 t) AGOT-Graphit an die University of Chicago geliefert, wo es zur Hauptquelle für Graphit wurde, das beim Bau von Chicago Pile-1 verwendet wurde.

Staatliche Unterstützung

Szilard verfasste einen vertraulichen Brief an den Präsidenten Franklin D. Roosevelt , in dem er vor einem deutschen Atomwaffenprojekt warnte , die Möglichkeit von Atomwaffen erklärte und die Entwicklung eines Programms ermutigte, das zu ihrer Schaffung führen könnte. Mit der Hilfe von Eugene Wigner und Edward Teller trat er im August 1939 an seinen alten Freund und Mitarbeiter Albert Einstein heran und überzeugte ihn, den Brief zu unterschreiben, was dem Vorschlag sein Prestige verlieh. Der Einstein-Szilard-Brief führte zur Einrichtung von Forschungsarbeiten zur Kernspaltung durch die US-Regierung. Unter Lyman J. Briggs , einem Wissenschaftler und Direktor des National Bureau of Standards , wurde ein beratendes Komitee für Uran gebildet . An ihrem ersten Treffen am 21. Oktober 1939 nahmen Szilard, Teller und Wigner teil. Die Wissenschaftler überredeten die Armee und die Marine, Szilard 6.000 US-Dollar zur Verfügung zu stellen, um Vorräte für Experimente zu kaufen - insbesondere mehr Graphit.

Im April 1941 schuf das National Defense Research Committee (NDRC) ein spezielles Projekt unter der Leitung von Arthur Compton , einem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Physikprofessor an der University of Chicago , um über das Uranprogramm zu berichten. Comptons im Mai 1941 vorgelegter Bericht sah die Aussichten auf die Entwicklung radiologischer Waffen , nuklearer Schiffsantriebe und nuklearer Waffen , die Uran-235 oder das kürzlich entdeckte Plutonium verwenden, voraus . Im Oktober schrieb er einen weiteren Bericht über die Praktikabilität einer Atombombe. Für diesen Bericht arbeitete er mit Fermi an Berechnungen der kritischen Masse von Uran-235. Außerdem diskutierte er mit Harold Urey die Aussichten für die Urananreicherung .

Niels Bohr und John Wheeler hatten die Theorie aufgestellt, dass schwere Isotope mit ungeraden Atommassenzahlen spaltbar seien . Wenn ja, dann war es wahrscheinlich Plutonium-239 . Im Mai 1941 produzierten Emilio Segrè und Glenn Seaborg 28 μg Plutonium-239 im 60-Zoll (150 cm) -Zyklotron an der University of California und stellten fest, dass es den 1,7-fachen thermischen Neutroneneinfangquerschnitt von Uran-235 hatte. Plutonium-239 war damals nur in so geringen Mengen in Zyklotronen hergestellt worden, und es war nicht möglich, auf diese Weise eine ausreichend große Menge herzustellen. Compton diskutierte mit Wigner, wie Plutonium in einem Kernreaktor hergestellt werden könnte , und mit Robert Serber darüber, wie dieses Plutonium von Uran getrennt werden könnte. Sein im November vorgelegter Bericht stellte fest, dass eine Bombe machbar sei.

Der endgültige Entwurf von Comptons Bericht vom November 1941 erwähnte Plutonium nicht, aber nachdem er die neuesten Forschungsergebnisse mit Ernest Lawrence diskutiert hatte, war Compton überzeugt, dass eine Plutoniumbombe auch machbar wäre. Im Dezember wurde Compton mit dem Plutoniumprojekt beauftragt. Seine Ziele waren die Herstellung von Reaktoren zur Umwandlung von Uran in Plutonium, die Suche nach Wegen zur chemischen Trennung des Plutoniums vom Uran und die Konstruktion und der Bau einer Atombombe. Es fiel Compton zu, zu entscheiden, welche der verschiedenen Arten von Reaktordesigns die Wissenschaftler verfolgen sollten, obwohl noch kein erfolgreicher Reaktor gebaut worden war. Er schlug einen Zeitplan vor, um bis Januar 1943 eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion zu erreichen und bis Januar 1945 eine Atombombe zu haben.

Entwicklung

Am vierten Jahrestag des Erfolgs des Teams, dem 2. Dezember 1946, versammelten sich Mitglieder des CP-1-Teams an der University of Chicago. Von links, hintere Reihe: Norman Hilberry , Samuel Allison , Thomas Brill, Robert Nobles, Warren Nyer, Marvin Wilkening. Mittlere Reihe: Harold Agnew , William Sturm, Harold Lichtenberger , Leona Woods , Leo Szilard . Vordere Reihe: Enrico Fermi , Walter Zinn , Albert Wattenberg , Herbert L. Anderson .

In einem Kernreaktor wird Kritikalität erreicht, wenn die Rate der Neutronenproduktion gleich der Rate der Neutronenverluste ist, einschließlich sowohl der Neutronenabsorption als auch des Neutronenlecks. Wenn ein Uran-235-Atom gespalten wird, setzt es durchschnittlich 2,4 Neutronen frei. Im einfachsten Fall eines unreflektierten , homogenen, kugelförmigen Reaktors errechnete sich der kritische Radius ungefähr zu:

,

wobei M die durchschnittliche Entfernung ist, die ein Neutron zurücklegt, bevor es absorbiert wird, und k der durchschnittliche Neutronenmultiplikationsfaktor ist . Die Neutronen in nachfolgenden Reaktionen werden um einen Faktor k verstärkt , die zweite Generation von Spaltungsereignissen wird k 2 erzeugen , die dritte k 3 und so weiter. Damit eine selbsterhaltende nukleare Kettenreaktion ablaufen kann, muss k mindestens 3 oder 4 Prozent größer als 1 sein. Mit anderen Worten, k muss größer als 1 sein, ohne die kritische Schwelle zu überschreiten, die zu einer schnellen, exponentiellen Reaktion führen würde Zunahme der Anzahl von Spaltungsereignissen.

Fermi taufte seinen Apparat "Haufen". Emilio Segrè erinnerte sich später daran:

Ich dachte eine Weile, dass dieser Begriff verwendet wurde, um sich auf eine Quelle nuklearer Energie zu beziehen, in Analogie zu Voltas Verwendung des italienischen Begriffs pila , um seine eigene großartige Erfindung einer Quelle elektrischer Energie zu bezeichnen. Ich war desillusioniert von Fermi selbst, der mir sagte, dass er einfach das gebräuchliche englische Wort „ pile “ als Synonym für „ heap “ verwendete . Zu meiner Überraschung schien Fermi nie über die Beziehung zwischen seinem Haufen und Voltas nachgedacht zu haben.

Ein weiterer Zuschuss, diesmal in Höhe von 40.000 US-Dollar, wurde vom S-1 Uranium Committee erhalten, um mehr Materialien zu kaufen, und im August 1941 begann Fermi mit der Planung des Baus einer unterkritischen Baugruppe, um mit einer kleineren Struktur zu testen, ob eine größere funktionieren würde . Der sogenannte Exponentialstapel, den er bauen wollte, war 2,4 m lang, 2,4 m breit und 3,4 m hoch. Dies war zu groß, um in die Pupin Physics Laboratories zu passen. Fermi erinnerte daran:

Wir gingen zu Dean Pegram, der damals der Mann war, der an der Universität zaubern konnte, und wir erklärten ihm, dass wir einen großen Raum brauchten. Er erkundete den Campus und wir gingen mit ihm durch dunkle Korridore und unter verschiedene Heizungsrohre und so weiter, um mögliche Orte für dieses Experiment zu besuchen, und schließlich wurde ein großer Raum in der Schermerhorn Hall entdeckt .

Einer von mindestens 29 Versuchspfählen, die 1942 unter den Westtribünen von Stagg Field errichtet wurden. Jedes getestete Element wurde in das endgültige Design integriert.

Der Stapel wurde im September 1941 aus 4 x 4 x 12 Zoll (10 x 10 x 30 cm) großen Graphitblöcken und Weißblech -Eisendosen mit Uranoxid gebaut. Die Dosen waren 8 x 8 x 8 Zoll (20 x 20 x 20 cm) große Würfel. Wenn sie mit Uranoxid gefüllt waren, wog jeder etwa 27 kg. Es waren insgesamt 288 Dosen, und jede war von Graphitblöcken umgeben, so dass das Ganze eine kubische Gitterstruktur bildete. In Bodennähe wurde eine Radium-Beryllium-Neutronenquelle positioniert. Das Uranoxid wurde erhitzt, um Feuchtigkeit zu entfernen, und noch heiß auf einem Schütteltisch in die Dosen verpackt. Die Dosen wurden dann zugelötet. Als Arbeitskräfte sicherte sich Pegram die Dienste der Fußballmannschaft von Columbia . Es war damals üblich, dass Fußballspieler Gelegenheitsjobs an der Universität verrichteten. Sie waren in der Lage, die schweren Dosen mit Leichtigkeit zu manipulieren. Das Endergebnis war ein enttäuschendes k von 0,87.

Compton war der Meinung, dass Teams an der Columbia University, der Princeton University , der University of Chicago und der University of California zu viele Doppelarbeit und nicht genügend Zusammenarbeit schaffen, und er beschloss, die Arbeit an einem Ort zu konzentrieren. Keiner wollte umziehen, alle sprachen sich für einen eigenen Standort aus. Im Januar 1942, kurz nachdem die Vereinigten Staaten in den Zweiten Weltkrieg eingetreten waren, entschied sich Compton für seinen eigenen Standort, die University of Chicago, wo er wusste, dass er die uneingeschränkte Unterstützung der Universitätsverwaltung hatte. Chicago hatte auch eine zentrale Lage, und Wissenschaftler, Techniker und Einrichtungen waren im Mittleren Westen leichter verfügbar , wo die Kriegsarbeit sie noch nicht weggebracht hatte. Im Gegensatz dazu war die Columbia University unter Harold Urey und John Dunning an Urananreicherungsbemühungen beteiligt und zögerte, ein drittes geheimes Projekt hinzuzufügen.

Vor der Abreise nach Chicago unternahm Fermis Team einen letzten Versuch, in Columbia einen Arbeitshaufen zu bauen. Da die Dosen Neutronen absorbiert hatten, wurde darauf verzichtet. Stattdessen wurde das Uranoxid, das zum Trocknen auf 250 ° C (480 ° F) erhitzt wurde, in zylindrische Löcher mit einer Länge von 3 Zoll (7,6 cm) und einem Durchmesser von 3 Zoll (7,6 cm) gepresst, die in den Graphit gebohrt wurden. Der gesamte Stapel wurde dann durch Löten von Blech um ihn herum in Dosen verpackt und der Inhalt über den Siedepunkt von Wasser erhitzt, um Feuchtigkeit zu entfernen. Das Ergebnis war ein k von 0,918.

Standortwahl

Zimmermann Augustus Knuth beim Fügen eines Holzklotzes für den Holzrahmen

In Chicago hatte Samuel K. Allison einen geeigneten Ort gefunden, der 18 m lang, 9,1 m breit und 7,9 m hoch war und leicht unter der Erde versunken war, in einem Raum unter den Tribünen von Stagg Feld , das ursprünglich als Schlägerplatz gebaut wurde. Das Stagg Field war weitgehend ungenutzt, seit die University of Chicago 1939 aufgegeben hatte, American Football zu spielen, aber die Schlägerplätze unter West Stands wurden immer noch zum Squash- und Handballspielen genutzt . Leona Woods und Anthony L. Turkevich spielten dort 1940 Squash. Da es für anstrengende Übungen gedacht war, war das Gebiet unbeheizt und im Winter sehr kalt. Die nahe gelegenen Nordtribünen hatten im Erdgeschoss zwei Eislaufbahnen, die, obwohl sie ungekühlt waren, im Winter selten schmolzen. Allison nutzte den Bereich des Schlägerplatzes, um einen 2,1 m hohen Versuchspfahl zu bauen, bevor Fermis Gruppe 1942 eintraf.

Das United States Army Corps of Engineers übernahm im Juni 1942 die Kontrolle über das Atomwaffenprogramm, und das Metallurgical Laboratory von Compton wurde Teil dessen, was später als Manhattan Project bezeichnet wurde . Brigadegeneral Leslie R. Groves, Jr. wurde am 23. September 1942 Direktor des Manhattan-Projekts. Am 5. Oktober besuchte er zum ersten Mal das Metallurgical Laboratory. Zwischen dem 15. September und dem 15. November 1942 errichteten Gruppen um Herbert Anderson und Walter Zinn 16 Versuchspfähle unter den Ständen des Stagg Field.

Fermi entwarf einen neuen Haufen, der kugelförmig sein würde, um k zu maximieren , das auf etwa 1,04 vorhergesagt wurde, wodurch Kritikalität erreicht wurde. Leona Woods wurde beauftragt, Bortrifluorid -Neutronendetektoren zu bauen, sobald sie ihre Doktorarbeit abgeschlossen hatte. Sie half Anderson auch dabei, die erforderliche große Anzahl von 4 x 6 Zoll (10 x 15 cm) großen Hölzern auf Holzplätzen im Süden von Chicago zu finden . Lieferungen von hochreinem Graphit trafen ein, hauptsächlich von National Carbon, und hochreinem Urandioxid von Mallinckrodt in St. Louis, das jetzt 30 Tonnen (27 t) pro Monat produzierte. Auch metallisches Uran kam in größeren Mengen an, das Produkt neu entwickelter Techniken.

Am 25. Juni hatten die Armee und das Amt für wissenschaftliche Forschung und Entwicklung (OSRD) einen Standort im Argonnenwald in der Nähe von Chicago für eine Plutonium-Pilotanlage ausgewählt. Dies wurde als "Site A" bekannt. Im August wurden 415 ha (1.025 Acres) von Cook County gepachtet , aber im September war klar, dass die vorgeschlagenen Einrichtungen für den Standort zu umfangreich sein würden, und es wurde beschlossen, die Pilotanlage an einem anderen Ort zu errichten. Die unterkritischen Haufen stellten wenig Gefahr dar, aber Groves hielt es für ratsam, einen kritischen Haufen – einen voll funktionsfähigen Kernreaktor – an einem entfernteren Ort zu errichten. Ein Gebäude in Argonne zur Unterbringung von Fermis Versuchspfahl wurde begonnen, dessen Fertigstellung für den 20. Oktober geplant ist. Aufgrund von Arbeitskämpfen geriet der Bau in Verzug, und es wurde klar, dass die Materialien für den neuen Pfahl von Fermi zur Verfügung stehen würden, bevor die neue Struktur fertiggestellt sein würde. Anfang November kam Fermi mit dem Vorschlag nach Compton, den Versuchspfahl unter den Tribünen von Stagg Field zu bauen.

CP-1 im Bau: 4. Schicht

Das Risiko, in einem besiedelten Gebiet einen kritischen Betriebsreaktor zu bauen, war ein erhebliches Problem, da die Gefahr einer katastrophalen Kernschmelze bestand, die eines der wichtigsten städtischen Gebiete der Vereinigten Staaten mit radioaktiven Spaltprodukten bedeckte. Aber die Physik des Systems deutete darauf hin, dass der Haufen selbst im Falle einer außer Kontrolle geratenen Reaktion sicher abgeschaltet werden könnte . Wenn ein Brennstoffatom gespalten wird, setzt es Neutronen frei, die in einer Kettenreaktion auf andere Brennstoffatome treffen. Die Zeit zwischen der Absorption des Neutrons und der Spaltung wird in Nanosekunden gemessen. Szilard hatte festgestellt, dass diese Reaktion Spaltprodukte hinterlässt , die möglicherweise auch Neutronen freisetzen, dies jedoch über viel längere Zeiträume tun, von Mikrosekunden bis hin zu Minuten. Bei einer langsamen Reaktion wie der in einem Haufen, in der sich die Spaltprodukte aufbauen, machen diese Neutronen etwa drei Prozent des gesamten Neutronenflusses aus .

Fermi argumentierte, dass durch die Verwendung der verzögerten Neutronen und durch sorgfältige Steuerung der Reaktionsraten beim Hochfahren der Leistung ein Stapel bei Spaltungsraten kritisch werden kann, die geringfügig unter denen einer Kettenreaktion liegen, die sich ausschließlich auf die sofortigen Neutronen aus den Spaltungsreaktionen stützt. Da die Freisetzungsrate dieser Neutronen von Spaltungsereignissen abhängt, die einige Zeit früher stattfinden, gibt es eine Verzögerung zwischen Leistungsspitzen und dem späteren Kritikalitätsereignis. Diese Zeit gibt den Bedienern Spielraum; Wenn eine Spitze im sofortigen Neutronenfluss zu sehen ist, haben sie mehrere Minuten Zeit, bevor dies eine außer Kontrolle geratene Reaktion auslöst. Wenn zu irgendeinem Zeitpunkt während dieser Zeit ein Neutronenabsorber oder Neutronengift injiziert wird, wird der Reaktor abgeschaltet. Folglich kann die Reaktion mit elektromechanischen Steuersystemen wie Steuerstäben gesteuert werden . Compton war der Ansicht, dass diese Verzögerung ausreichte, um einen kritischen Sicherheitsspielraum zu schaffen, und erlaubte Fermi, Chicago Pile-1 in Stagg Field zu bauen.

Compton erklärte das später:

Als verantwortlicher Beamter der University of Chicago hätte ich die Angelegenheit nach allen Regeln des Organisationsprotokolls meinem Vorgesetzten vortragen sollen. Aber das wäre unfair gewesen. Präsident Hutchins war nicht in der Lage, ein unabhängiges Urteil über die damit verbundenen Gefahren abzugeben. Aus Gründen des Wohlergehens der Universität hätte er nur antworten können – nein. Und diese Antwort wäre falsch gewesen.

Compton informierte Groves bei der Sitzung des S-1-Exekutivkomitees am 14. November über seine Entscheidung. Obwohl Groves "ernsthafte Bedenken hinsichtlich der Weisheit von Comptons Vorschlag hatte", mischte er sich nicht ein. James B. Conant , der Vorsitzende des NDRC, soll weiß geworden sein. Aber wegen der Dringlichkeit und ihres Vertrauens in Fermis Berechnungen widersprach niemand.

Konstruktion

CP-1 im Bau: 7. Schicht

Chicago Pile-1 wurde in einen Ballon eingeschlossen, damit die Luft im Inneren durch Kohlendioxid ersetzt werden konnte . Anderson hatte einen dunkelgrauen Ballon, der von der Goodyear Tire and Rubber Company hergestellt wurde . Ein würfelförmiger Ballon von 7,6 m (25 Fuß) war etwas ungewöhnlich, aber die AAA-Prioritätsbewertung des Manhattan-Projekts stellte eine prompte Lieferung ohne Fragen sicher. Ein Flaschenzug wurde verwendet, um es an seinen Platz zu ziehen, wobei die Oberseite an der Decke und drei Seiten an den Wänden befestigt waren. Die andere Seite, die dem Balkon zugewandt war, von dem aus Fermi die Operation leitete, war wie eine Markise eingerollt. Auf dem Boden wurde ein Kreis gezeichnet, und am Morgen des 16. November 1942 begann das Stapeln der Graphitblöcke. Die erste Schicht bestand vollständig aus Graphitblöcken ohne Uran. Schichten ohne Uran wurden mit zwei Schichten, die Uran enthielten, abgewechselt, sodass das Uran in Graphit eingeschlossen war. Im Gegensatz zu späteren Reaktoren hatte es keine Strahlungsabschirmung oder ein Kühlsystem, da es nur für den Betrieb mit sehr geringer Leistung vorgesehen war.

Die Arbeit wurde in Zwölf-Stunden-Schichten durchgeführt, mit einer Tagschicht unter Zinn und einer Nachtschicht unter Anderson. Als Arbeitskraft stellten sie dreißig Schulabbrecher ein, die unbedingt etwas Geld verdienen wollten, bevor sie zum Militär eingezogen wurden. Sie bearbeiteten 45.000 Graphitblöcke, die 19.000 Stücke Uranmetall und Uranoxid enthielten. Das Graphit kam von den Herstellern in 4,25 x 4,25 Zoll (10,8 x 10,8 cm) großen Stäben unterschiedlicher Länge. Sie wurden in Standardlängen von 42 cm (16,5 Zoll) geschnitten, die jeweils 8,6 kg (19 Pfund) wogen. Eine Drehmaschine wurde verwendet, um 3,25 Zoll (8,3 cm) große Löcher in die Blöcke für die Steuerstäbe und das Uran zu bohren. Eine hydraulische Presse wurde verwendet, um das Uranoxid in "Pseudosphären", Zylinder mit abgerundeten Enden, zu formen. Bohrer mussten alle 60 Löcher geschärft werden, was etwa einmal pro Stunde ausmachte. Graphitstaub erfüllte bald die Luft und machte den Boden rutschig.

Eine andere Gruppe unter Volney C. Wilson war für die Instrumentierung verantwortlich. Sie stellten auch die Steuerstäbe her , bei denen es sich um Cadmiumbleche handelte , die auf flache Holzstreifen genagelt waren, wobei Cadmium ein starker Neutronenabsorber war, und die Scram -Leine, ein Hanfseil , das beim Schneiden einen Steuerstab in den Haufen fallen ließ und die Reaktion stoppte. Richard Fox, der den Steuerstangenmechanismus für den Stapel herstellte, bemerkte, dass die manuelle Geschwindigkeitssteuerung, die der Bediener über den Stangen hatte, einfach ein variabler Widerstand war, der einen Elektromotor steuerte , der den Wäscheleinendraht über eine Rolle spulen würde, die ebenfalls zwei hatte Bleigewichte angebracht, um sicherzustellen, dass es ausfallsicher ist und beim Loslassen in seine Nullposition zurückkehrt.

CP-1 im Bau: 10. Schicht

Pro Schicht wurden etwa zwei Lagen verlegt. Der Bortrifluorid-Neutronenzähler von Woods wurde in der 15. Schicht eingefügt. Danach wurden am Ende jeder Schicht Ablesungen vorgenommen. Fermi teilte das Quadrat des Radius des Haufens durch die Intensität der Radioaktivität, um eine Metrik zu erhalten, die bis auf eins herunterzählte, wenn sich der Haufen dem kritischen Wert näherte. In der 15. Schicht waren es 390; am 19. waren es 320; am 25. waren es 270 und am 36. waren es nur noch 149. Der ursprüngliche Entwurf sah einen kugelförmigen Pfahl vor, aber im Laufe der Arbeit wurde klar, dass dies nicht notwendig sein würde. Das neue Graphit war reiner und 6 kurze Tonnen (5,4 t) sehr reines metallisches Uran kamen vom Ames-Projekt der Iowa State University , wo Harley Wilhelm und sein Team ein neues Verfahren zur Herstellung von Uranmetall entwickelt hatten. Westinghouse Lamp Plant lieferte 3 kurze Tonnen (2,7 t), die es in Eile mit einem provisorischen Prozess produzierte.

Die 2,25 Zoll (5,7 cm) großen metallischen Uranzylinder, bekannt als "Spedding-Eier", wurden anstelle der Uranoxid-Pseudokugeln in die Löcher im Graphit fallen gelassen. Der Vorgang des Füllens des Ballons mit Kohlendioxid wäre nicht erforderlich, und auf zwanzig Schichten könnte verzichtet werden. Nach Fermis neuen Berechnungen würde der Countdown zwischen der 56. und 57. Schicht 1 erreichen. Der resultierende Flor war daher oben flacher als unten. Anderson stoppte, nachdem die 57. Schicht platziert war. Nach Fertigstellung stützte der Holzrahmen eine elliptisch geformte Struktur mit einer Höhe von 6,1 m (20 Fuß), einer Breite von 1,8 m (6 Fuß) an den Enden und einer Breite von 7,6 m (25 Fuß) in der Mitte. Es enthielt 6 kurze Tonnen (5,4 t) Uranmetall, 50 kurze Tonnen (45 t) Uranoxid und 400 kurze Tonnen (360 t) Graphit mit geschätzten Kosten von 2,7 Millionen US-Dollar.

Erste nukleare Kettenreaktion

Das Chianti - Fiasko , das von Eugene Wigner gekauft wurde , um die erste sich selbst erhaltende, kontrollierte Kettenreaktion zu feiern. Es wurde von den Teilnehmern unterschrieben.

Am nächsten Tag, dem 2. Dezember 1942, versammelten sich alle zum Experiment. Es waren 49 Wissenschaftler anwesend. Obwohl der größte Teil des S-1-Exekutivkomitees in Chicago war, war auf Einladung von Compton nur Crawford Greenewalt anwesend. Andere anwesende Würdenträger waren Szilard, Wigner und Spedding. Fermi, Compton, Anderson und Zinn versammelten sich um die Kontrollen auf dem Balkon, der ursprünglich als Aussichtsplattform gedacht war. Samuel Allison stand mit einem Eimer konzentriertem Cadmiumnitrat bereit, den er im Notfall über den Haufen werfen sollte. Der Start begann um 09:54 Uhr. Walter Zinn entfernte den Reißverschluss, die Notsteuerstange und sicherte sie. Norman Hilberry stand mit einer Axt bereit, um die Scram-Linie zu durchtrennen, wodurch der Reißverschluss unter dem Einfluss der Schwerkraft herunterfallen würde. Während Leona Woods mit lauter Stimme die Zählung vom Bortrifluorid-Detektor ausrief, zog George Weil , der einzige auf dem Boden, alle Kontrollstäbe bis auf einen heraus. Um 10:37 Uhr befahl Fermi Weil, alle bis auf 4,0 m (13 Fuß) der letzten Steuerstange zu entfernen. Weil zog es jeweils 15 cm zurück, wobei bei jedem Schritt Messungen vorgenommen wurden.

Der Vorgang wurde durch das Wiedereinfahren des automatischen Steuerstabes aufgrund eines zu niedrig eingestellten Auslösepegels abrupt gestoppt. Um 11:25 Uhr befahl Fermi, die Steuerstäbe wieder einzusetzen. Dann verkündete er, es sei Mittagszeit.

Das Experiment wurde um 14:00 Uhr fortgesetzt. Weil arbeitete am letzten Steuerstab, während Fermi die Neutronenaktivität sorgfältig überwachte. Fermi gab um 15:25 Uhr bekannt, dass der Stapel kritisch geworden sei (eine selbsttragende Reaktion erreicht habe). Fermi schaltete die Skala des Rekorders um, um den schnell ansteigenden elektrischen Strom vom Bortrifluorid-Detektor aufzunehmen. Er wollte die Steuerkreise testen, aber nach 28 Minuten läuteten die Alarmglocken, um allen mitzuteilen, dass der Neutronenfluss die voreingestellte Sicherheitsstufe überschritten hatte, und er befahl Zinn, den Reißverschluss zu lösen. Die Reaktion kam schnell zum Stillstand. Der Stapel war etwa 4,5 Minuten bei etwa 0,5 Watt gelaufen. Wigner öffnete eine Flasche Chianti , die sie aus Pappbechern tranken.

Compton benachrichtigte Conant telefonisch. Das Gespräch war in einem improvisierten Code:

Compton: Der italienische Seefahrer ist in der Neuen Welt gelandet.
Conant: Wie waren die Eingeborenen?

Compton: Sehr freundlich.

Späterer Betrieb

Am 12. Dezember 1942 wurde die Leistung von CP-1 auf 200 W erhöht, genug, um eine Glühbirne mit Strom zu versorgen. Ohne jegliche Abschirmung stellte es eine Strahlengefahr für alle in der Nähe dar, und weitere Tests wurden bei 0,5 W fortgesetzt. Der Betrieb wurde am 28. Februar 1943 eingestellt, und der Stapel wurde abgebaut und jetzt an Standort A im Argonnerwald verlegt bekannt als Red Gate Woods . Dort wurden die Originalmaterialien zum Bau von Chicago Pile-2 (CP-2) verwendet. Anstatt kugelförmig zu sein, wurde der neue Reaktor in einer würfelförmigen Form gebaut, etwa 7,6 m hoch und mit einer Grundfläche von etwa 9,1 m (30 Fuß) im Quadrat. Es war von 1,5 m dicken Betonwänden umgeben, die als Strahlenschutz dienten , mit einem Überkopfschutz aus 15 cm Blei und 130 cm Holz. Es wurde mehr Uran verwendet, also enthielt es 52 kurze Tonnen (47 t) Uran und 472 kurze Tonnen (428 t) Graphit. Es wurde kein Kühlsystem bereitgestellt, da es nur mit wenigen Kilowatt lief. CP-2 wurde im März 1943 mit einem k von 1,055 in Betrieb genommen. Während des Krieges ließ Walter Zinn den Betrieb von CP-2 rund um die Uhr zu, und sein Design war für die Durchführung von Experimenten geeignet. Zu CP-2 gesellte sich Chicago Pile-3 , der erste Schwerwasserreaktor, der am 15. Mai 1944 kritisch wurde.

Bild des Granitmarkers.  Der Text lautet: „Der erste Kernreaktor der Welt wurde an diesem Standort 1943 nach dem ersten Betrieb an der Universität von Chicago wieder aufgebaut entwickelte das Argonne National Laboratory. Dieser Standort wurde 1956 vom Labor freigegeben und die US Atomic Energy Commission vergrub dann die Reaktoren hier."
Gedenkstein am Standort A

Die Reaktoren dienten der waffentechnischen Forschung, etwa der Untersuchung der Eigenschaften von Tritium . Zu den Kriegsexperimenten gehörte die Messung des Neutronenabsorptionsquerschnitts von Elementen und Verbindungen. Albert Wattenberg erinnerte daran, dass jeden Monat etwa 10 Elemente untersucht wurden und 75 im Laufe eines Jahres. Ein Unfall mit Radium- und Berylliumpulver führte zu einem gefährlichen Rückgang seiner weißen Blutkörperchen , der drei Jahre lang anhielt. Als die Gefahren von Dingen wie dem Einatmen von Uranoxid offensichtlicher wurden, wurden Experimente zu den Wirkungen radioaktiver Substanzen an Laborversuchstieren durchgeführt.

Obwohl das Design ein Jahrzehnt lang geheim gehalten wurde, patentierten Szilard und Fermi es gemeinsam mit einem ursprünglichen Anmeldedatum vom 19. Dezember 1944 als Neutronenreaktor Nr. 2.708.656.

Der Red Gate Woods wurde später der ursprüngliche Standort des Argonne National Laboratory , das am 1. Juli 1946 das Metallurgical Laboratory ersetzte, mit Zinn als seinem ersten Direktor. CP-2 und CP-3 waren zehn Jahre lang in Betrieb, bevor sie ihre Nützlichkeit überlebten, und Zinn befahl, sie am 15. Mai 1954 abzuschalten. Ihr verbleibender nutzbarer Treibstoff wurde nach Chicago Pile-5 am neuen Standort des Argonne National Laboratory in DuPage County transferiert . und die CP-2- und CP-3-Reaktoren wurden 1955 und 1956 demontiert. Einige der Graphitblöcke von CP-1/CP-2 wurden im Reflektor des TREAT -Reaktors wiederverwendet. Hochradioaktiver Atommüll wie Brennstoff und schweres Wasser wurden zur Entsorgung nach Oak Ridge, Tennessee , verschifft. Der Rest wurde mit Beton ummantelt und in einem 40 Fuß tiefen (12 m) Graben auf dem Gelände vergraben, das heute als Lagerstätte A/Grundstück M bekannt ist . Er ist durch einen Gedenkstein gekennzeichnet.

Leo Szilard (rechts) und Norman Hilberry unter der Gedenktafel für Chicago Pile-1 auf der Westtribüne des Old Stagg Field. Während die Tribünen später abgerissen wurden, befindet sich die Gedenktafel heute am Standortdenkmal.

In den 1970er Jahren gab es in der Öffentlichkeit zunehmende Besorgnis über die Radioaktivitätswerte am Standort, der von Anwohnern zur Erholung genutzt wurde. In den 1980er Jahren durchgeführte Untersuchungen ergaben Strontium-90 im Boden von Plot M, Spuren von Tritium in nahe gelegenen Brunnen sowie Plutonium, Technetium, Cäsium und Uran in der Gegend. 1994 gaben das Energieministerium der Vereinigten Staaten und das Argonne National Laboratory dem öffentlichen Druck nach und stellten 24,7 Millionen bzw. 3,4 Millionen Dollar für die Sanierung des Standorts bereit. Als Teil der Aufräumarbeiten wurden 500 Kubikyards (380 m 3 ) radioaktiver Abfall entfernt und zur Entsorgung an den Standort Hanford geschickt . Bis 2002 hatte das Illinois Department of Public Health festgestellt, dass die verbleibenden Materialien keine Gefahr für die öffentliche Gesundheit darstellten.

Bedeutung und Gedenken

Der erfolgreiche Test von CP-1 bewies nicht nur, dass ein Kernreaktor machbar war, er zeigte auch, dass der k -Faktor größer war als ursprünglich angenommen. Dies beseitigte die Einwände gegen die Verwendung von Luft oder Wasser als Kühlmittel anstelle von teurem Helium. Auch bei der Werkstoffwahl für Kühlmittelleitungen und Steuerungsmechanismen ergab sich ein größerer Spielraum. Wigner forcierte nun seinen Entwurf für einen wassergekühlten Produktionsreaktor. Es blieben Bedenken hinsichtlich der Fähigkeit eines graphitmoderierten Reaktors, Plutonium im industriellen Maßstab zu produzieren, und aus diesem Grund setzte das Manhattan-Projekt die Entwicklung von Schwerwasserproduktionsanlagen fort . Ein luftgekühlter Reaktor, der X-10 Graphite Reactor , wurde bei den Clinton Engineer Works in Oak Ridge als Teil eines Plutonium-Halbwerks gebaut, gefolgt von größeren wassergekühlten Produktionsreaktoren am Standort Hanford im US-Bundesstaat Washington . Bis Juli 1945 wurde genug Plutonium für eine Atombombe produziert, im August für zwei weitere.

Am 2. Dezember 1952 wurde auf Stagg Field eine Gedenktafel enthüllt, anlässlich des zehnten Jahrestages von CP-1, der kritisch wurde. Es lautete wie folgt:

Am 2. Dezember 1942 gelang dem Menschen hier die erste sich selbst erhaltende Kettenreaktion und leitete damit die kontrollierte Freisetzung von Kernenergie ein.

Die Gedenktafel wurde gerettet, als die Westtribüne im August 1957 abgerissen wurde. Der Standort von CP-1 wurde am 18. Februar 1965 als nationales historisches Wahrzeichen ausgewiesen. Als 1966 das National Register of Historic Places erstellt wurde, wurde es sofort hinzugefügt auch. Die Stätte wurde am 27. Oktober 1971 auch zum Chicago Landmark ernannt.

Heute befindet sich auf dem Gelände des alten Stagg Field die Regenstein Library der Universität , die 1970 eröffnet wurde, und die Joe and Rika Mansueto Library , die 2011 eröffnet wurde. Eine Skulptur von Henry Moore , Nuclear Energy , steht in einem kleinen Viereck draußen die Bibliothek Regenstein auf dem ehemaligen Gelände des Schlägerhofs der Zuschauertribünen West. Es wurde am 2. Dezember 1967 eingeweiht, um an den 25. Jahrestag des kritischen CP-1 zu erinnern. In der Nähe befinden sich die Gedenktafeln von 1952, 1965 und 1967. Ein Graphitblock von CP-1 ist im Bradbury Science Museum in Los Alamos, New Mexico , zu sehen ; ein weiteres ist im Museum of Science and Industry in Chicago ausgestellt. Am 2. Dezember 2017, dem 75. Jahrestag, setzte das Massachusetts Institute of Technology bei der Restaurierung eines Forschungs-Graphit-Haufens, der im Design dem Chicago Pile-1 ähnelt, feierlich die letzten Uran-Slugs ein.

Anmerkungen

Verweise

Externe Links