Эксперимент RaLa

редактировать

Эксперимент RaLa, или RaLa, представлял собой серию тестов во время и после Манхэттенский проект, предназначенный для изучения поведения сходящихся ударных волн для достижения сферического взрыва, необходимого для сжатия плутониевой ямы ядерного оружия. В эксперименте использовались значительные количества короткоживущего радиоизотопа лантана-140, мощного источника гамма-излучения ; RaLa представляет собой сокращение Ra диоактивного La nthanum. Метод был предложен Робертом Сербером и разработан группой под руководством итальянского физика-экспериментатора Бруно Росси.

Испытания проводились со сферами радиоактивного лантана диаметром 1/8 дюйма (3,2 мм), приблизительно 100 кюри (3,7 ТБк ), а затем 1000 Ки (37 ТБк), расположенный в центре моделируемого ядерного устройства. Взрывоопасные линзы были разработаны, главным образом, с использованием этой серии испытаний. С сентября 1944 года по март 1962 года было проведено около 254 испытаний. В своей истории проекта Лос-Аламос Дэвид Хокинс писал: «RaLa стал самым важным отдельным экспериментом, повлиявшим на окончательную конструкцию бомбы».

Содержание

  • 1 Экспериментальная установка
  • 2 Радиационная безопасность
  • 3 Логистика и график
  • 4 Приготовление радиолантана
    • 4.1 Приготовление бария-лантана
    • 4.2 Приготовление лантана
  • 5 Послевоенный прогресс
  • 6 Долговременное загрязнение
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Экспериментальная установка

Сфера в велосипедисте в земле, над ним деревянные леса и два больших ящика. На заднем плане деревья. Экспериментальная установка для выстрела 78 РаЛа 13 мая 1947 года в каньоне Байо. Каждый прямоугольный ящик содержит восемь цилиндрических быстрых ионизационных камер.

. Эксперимент был предложен 1 ноября 1943 года Робертом Сербером. Идея заключалась в измерении пространственной и временной симметрии взрывного сжатия металлической сферы. В ходе испытания измерялись изменения поглощения гамма-лучей в металле сферы, когда она подвергалась сжатию. Источник гамма-излучения располагался в центре металлической сферы. Увеличение толщины (полых оболочек) и плотности (твердых сфер) по мере сжатия было обнаружено как уменьшение интенсивности гамма-лучей вне сферы; взрывчатые вещества более низкой плотности не поглощали гамма-излучение в достаточной степени, чтобы помешать эксперименту. Гамма-лучи должны быть интенсивными и иметь нужную энергию. Слишком низкая энергия, и они будут полностью поглощены окружающим металлом; слишком высокая энергия, и разница в затухании во время имплозии будет слишком низкой, чтобы быть практичным. Детекторы должны были обеспечивать высокую скорость и большую площадь; Быстрая ионизационная камера, тогда находившаяся в стадии разработки, была единственными доступными на тот момент устройствами, удовлетворяющими требованиям.

Лантан-140 был выбран потому, что он излучает гамма-лучи в желаемом диапазоне энергий (1,60 мегаэлектронвольт (МэВ), с долей 0,49 МэВ) и имеет очень высокую удельную активность, что обеспечивает достаточную интенсивность излучения для получения полезных сигналов от ионизационных камер. После испытания диспергированный La-140 быстро распадается на стабильный церий-140, снижая радиационную опасность для операторов после нескольких периодов полураспада. Он также потенциально был доступен в больших количествах, поскольку его родительский нуклид барий-140 является обильным продуктом деления урана. Как следствие, образцы лантана-140 содержали следы бария-140, цезия-140 и особенно стронция-90, который все еще представляет собой проблема радиоактивного загрязнения в зоне проведения испытаний. Лантан-140 имеет удельную активность 5,57 × 10 Ки / г (20,6 ПБк / г); источник La-140 1000 Ки (37 ТБк), таким образом, равен примерно 1,8 мг лантана.

Образец радиолантана, осажденный на кончике небольшого конуса, за которым следует пробка, опускался в центр металлический шар экспериментальной сборки с устройством, напоминающим удочку. Конус и заглушка были соединены с металлическим центром сборки, вместе образуя металлическую сферу. Затем часть взрывного линзирования возвращалась на место над сферой. Несколько, как правило, четыре ионизационных камеры располагались вокруг экспериментальной установки. Сразу после взрыва они генерировали сигналы, которые отображались на осциллографах во взрывозащищенном укрытии или в мобильной лаборатории в резервуаре на расстоянии 150 футов (46 м), а осциллограммы записывались на камеры . Калибровочное измерение проводилось до и после каждого теста. Ионизационные камеры и их предусилители были разрушены во время взрыва, но их простая конструкция позволяла производить их в достаточном количестве.

Ионизационные камеры были цилиндрическими, диаметром 2 дюйма (51 мм), 30 дюймов (760 мм) длиной, с проволокой вдоль продольной оси. Они были заполнены смесью аргона и диоксида углерода при 4,5 стандартных атмосфер (460 кПа ). Восемь камер были расположены в лотке и соединены параллельно; четыре лотка были расположены в тетраэдре вокруг экспериментальной установки, регистрируя гамма-излучение вокруг сферы, достаточно близко, чтобы подавать сигнал, и достаточно далеко, чтобы не быть разрушенными взрывом, прежде чем они смогут записать требуемую информацию. Первоначально инициирование взрывных устройств производилось многоточечной системой Primacord. Результаты были ошибочными, поскольку детонации не были достаточно синхронизированы. Гораздо лучшие результаты были получены после февраля 1945 года, когда стали доступны детонаторы с разрывающейся проволокой, разработанные группой Луиса Альвареса G-7.

Как был плутоний. недоступен, он был заменен материалом с аналогичными механическими свойствами. Был использован обедненный уран, но он не был оптимальным из-за его непрозрачности для излучения; железо, медь или кадмий были другими вариантами. Кадмий был выбран для большинства тестов. Первый выстрел был выполнен с железным макетом плутониевой ямы.

. Результирующий сигнал представлял собой быстрое падение, соответствующее сжатию кадмиевой сферы, за которым следовало более медленное увеличение, соответствующее декомпрессии и последующему рассеиванию сфера и лантан. Различия между четырьмя кривыми на экране осциллографа, каждая из которых указывает на среднее сжатие в направлении детектора, позволили оценить требуемую точность синхронизации детонаторов.

Источники RaLa были очень радиоактивными. Их нужно было опустить к испытательной установке с помощью стержня длиной 10 футов (3,0 м). Первоначально испытания проводились с герметичного резервуара M4 Sherman ; Мобильная лаборатория состояла из двух резервуаров. Ожидалось, что каждый эксперимент будет загрязнять территорию площадью около 3000 квадратных метров (32000 квадратных футов) в течение примерно полугода. После удаления радиобария из радиолантана кратковременные уровни загрязнения оказались незначительными. Затем танки были заменены стационарными укрытиями. Один из резервуаров позже был покрыт свинцом, герметизирован, снабжен автономной подачей воздуха и использовался для отбора проб продуктов деления в обломках после взрыва после испытания Тринити. Источники представляли значительный риск радиационного облучения; интенсивность воздействия источника 1000 Ки (37 ТБк) на расстоянии 1 метра (3 фута 3 дюйма) составляла 1130 Р / ч и 11000 Р / ч на расстоянии 1 фута (0,30 м). В некоторых испытаниях использовались источники с активностью до 2300 Ки (85 ТБк).

Радиационная безопасность

Система удаленного обращения с образцами имела недостатки; На то, чтобы обнаружить их все, потребовалось около шести месяцев. Химики, которые работали со смесями продуктов деления с партиями до 2300 Ки (85 ТБк) каждая, часто подвергались (случайно) воздействию нежелательно высоких доз радиации. Группа, проводившая эксперименты, подвергалась меньшему риску; они работали в тесном взаимодействии с Группой здравоохранения, которая отвечала за обеспечение выживания пострадавших от радиационного облучения. Радиоактивное заражение представляло проблему. Людям, работающим в каньоне Байо, приходилось переодеваться и принимать душ после работы. Иногда они по-прежнему активируют детекторы у ворот безопасности.

Хижина в окружении сосен. На земле лежит снег. Мужчина и женщина в белых халатах тянут веревку, которая прикреплена к маленькой тележке на деревянной платформе. На тележке находится большой цилиндрический объект. Дистанционное обращение с источником радиоактивного лантана 1000 Ки (37 ТБк) (1,8 мг) для эксперимента RaLa в Лос-Аламосе

Эксперименты проводились в месте, обозначенном TA-10 («Техническая зона 10») (но чаще упоминается как участок каньона Байо ) в округе Лос-Аламос и недалеко от границы с Округ Санта-Фе, к северо-востоку от города Лос-Аламос. На сайте было несколько фиксированных структур. Лантан-140 был выделен в здании радиохимии ТА-10-1. Огневых точек было четыре. Приборы для запуска взрывчатых веществ и регистрации данных были размещены в двух зданиях управления детонацией (ТА-10-13 и ТА-10-15).

Большие количества радиоактивного лантана были рассеяны в результате взрывов на открытом воздухе; В период с 1944 по 1961 годы было проведено 254 испытания. В 1948 году здесь два рабочих получили лучевые ожоги. Обычно эксперименты проводились, когда ветер дул с севера, но иногда ветер менял направление ранним утром. В 1949 и 1950 годах ядерные осадки в результате испытаний разлетелись над частями жилых домов и дорогой; уровень радиации на дороге иногда достигал 5-10 мР / ч, и дорогу приходилось закрывать на некоторое время.

В каждом испытании выделялся шлейф диспергированного радиоактивного лантана. Задокументированы три испытания в 1950 году, когда высвободившаяся радиоактивность отслеживалась самолетом B-17. В одном случае радиация была обнаружена над городом с подветренной стороны в 17 милях (27 км). Эти испытания проводились одновременно с испытаниями RaLa, и их целью была разработка бортовых детекторов для отслеживания воздушных взрывов ядерных испытаний. Размер и высота радиоактивного облака определялись количеством использованного взрывчатого вещества. Для первых 125 испытаний между 1944 и 1949 годами метеорология и мониторинг радиоактивных осадков были редкими, но между 1950-1954 годами был введен более тщательный мониторинг, который впоследствии стал всеобъемлющим. По сообщениям, одно облако было отслежено на расстояние 70 миль (110 км) с подветренной стороны над Уотроусом, Нью-Мексико.

Логистика и график

Для обеспечения логистики испытаний, Луис Альварес был назначен Робертом Оппенгеймером, директором лаборатории Лос-Аламоса, руководителем программы RaLa; его группа получила обозначение E-7, RaLa и Electric Detonators Group. Бруно Росси и швейцарский физик Ганс Штауб построили ионизационные камеры и электронику к концу весны. Сначала работа шла в неторопливом темпе, поскольку взрыв был лишь резервным проектом; считалось, что плутониевая бомба будет иметь конструкцию Thin Man пушечного оружия деления. Это оказалось не так, поскольку первые испытания плутония, произведенного в реакторах в начале лета 1944 года, показали неприемлемо высокие скорости самопроизвольного деления из-за наличия плутония-240, исключающего использование оружейной сборки. 17 июля от проекта Тонкого Человека отказались, и все усилия были сосредоточены на имплозии. Чтобы решить эту проблему, Лос-Аламосская лаборатория была реорганизована - были сформированы X-Division (Взрывоопасный отдел) и G-Division (Gadget Division или Отдел физики оружия). Группа Росси была отнесена к G-Division как G-6, или RaLa Group; Группой Альвареса была G-7, или группа электрических детонаторов.

25 июля 1944 года в каньоне Байо было проведено первое предварительное испытание в виде репетиции, испытания оборудования и измерения времени схлопывания, детонации и ударной волны. скорости. Программа была отложена примерно на месяц из-за поздних поставок радиобариев, так как испытания, запланированные на 15 августа, не проводились до середины сентября. Первая проба с радиобарием состоялась 22 сентября. В конце августа по просьбе группы Росси группа РаЛа была реформирована под руководством Росси, и Альварес и его группа взяли на себя исследование взрывающихся мостовых детонаторов. По предложению Роберта Кристи для карьера были выбраны твердые сферы вместо первоначально задуманных полых, чтобы уменьшить проблемы с струями и растрескиванием. Первый снимок RaLa с твердой сферой был произведен в начале декабря, но результаты не дали окончательных результатов. Однако выстрел от 14 декабря показал (по словам Роберта Бахера ) «явное свидетельство сжатия».

Первые испытания с использованием электрических детонаторов и твердых ям выполнялись 7 и 14 февраля 1945 г.; до этого использовалось посвящение на основе примакорда. Электродетонаторы показали значительное улучшение достигнутой степени сжатия и симметрии и впоследствии использовались во всех испытаниях RaLa. Основываясь на этих результатах, к концу февраля был завершен проект Гайки, так эвфемистически называлась бомба. Также были необходимы другие методы испытаний, поскольку эксперименты RaLa давали только косвенные указания на образование проблемных струй, которые мешали ранним проектам имплозии, но RaLa был наиболее важным.

Подготовка радиолантана

Барий -препарат лантана

Период полувыведения La-140 составляет 40,224 часа; он подвергается бета-распаду до стабильного церия-140. Он был приготовлен из бария-140, обычного продукта деления, выделенного из отработавшего топлива из Национальной лаборатории Ок-Ридж графитового реактора X-10, а затем, после 1948 г. также с Хэнфордского участка плутоний-239, производящего ядерные реакторы. Барий был выделен в специально построенной горячей лаборатории в Ок-Ридже и отправлен на свинцовой свинье в Лос-Аламос, где его использовали для извлечения лантана. Лаборатория Ок-Ридж была первой лабораторией, где дистанционные манипуляторы использовались для работы с радиоактивными материалами. Доставка осуществлялась грузовиком с экипажем из двух человек, который проехал 1500 миль (2400 км) без остановок.

В Ок-Ридже урановые пули облучались в течение 40 дней, а затем оставались охлаждаться от 1 до 5. дней, затем растворились. Затем экстрагировали барий и раствор упаривали; затем твердый материал был отправлен в Лос-Аламос. По состоянию на 1949 г. в полном производственном цикле было задействовано до 1728 пуль (34,5 партии по 50 штук). До 1949 года производственная площадка в Ок-Ридж перерабатывала урановые пробки, облученные как на месте, так и в Хэнфорде; впоследствии был обработан только материал Хэнфорда.

Сначала выделение бария проводилось в здании 3026-C (706-C), где существующая лаборатория была переоборудована для этой цели за 5 месяцев; первый запуск был завершен в сентябре 1944 года. 3026-C был разработан для работы с источниками от 1 до 10 Ки (37 и 370 ГБк), но условия вынудили его адаптироваться для работы с источниками 100 Ки (3,7 ТБк). Его мощности было недостаточно из-за роста спроса. В мае 1945 г. было построено специальное здание 3026-D (706-D), примыкающее к 3026-C и предназначенное для обработки источников до 1000 Ки. Первая партия 3026-D состоялась 26 мая 1945 года, в тот же день, что и последняя партия на установке 3026-C.

К марту 1949 года там для Лос-Аламоса была произведена 31 партия в среднем более 2000 Ки каждая.. Однако спрос продолжал расти; к июлю 1950 года производственная цель на партию составляла 10 000 Ки (370 ТБк), а к началу 1950-х годов потребности выросли до 50 000 Ки (1800 ТБк). К 1954 году поставки выросли до 64 805 Ки (2,3978 ПБк), и в том же году AEC решила построить новый объект в Национальной лаборатории штата Айдахо для производства RaLa. В октябре 1956 года Oak Ridge завершили свой 68-й и последний забег RaLa. Всего Ок-Ридж обработал более 30 000 урановых снарядов и отправил в Лос-Аламос более 500 000 Ки (19 ПБк).

Во время подготовки RaLa были выпущены летучие продукты деления. При растворении партия из 50 пробок произвела 2500 Ки (93 ТБк) ксенона-133, 1300 Ки (48 ТБк) йода-131 (большие количества, так как топливо для переработки «в свежем виде»), и небольшое количество криптона-85. Поскольку для ограничения выбросов продуктов деления были приняты некоторые меры предосторожности, производство RaLa было основным источником радиоактивного загрязнения в Ок-Ридже. Выбросы йода стали важным фактором при принятии решения о переносе предприятия в Айдахо. Более поздние усовершенствования позволили снизить выбросы йода примерно в 100 раз.

На объекте 3026-D около 17:00 29 апреля 1954 года произошла серьезная авария с выбросом радиоактивности. После растворения третьей партии урановых пробок жидкость в резервуаре растворителя не полностью покрывала пробки в течение примерно 29 часов, которые перегревались из-за остаточного тепла. Когда кислоту добавляли для четвертой партии, бурная реакция с горячим металлом приводила к образованию газов и выталкиванию раствора вверх по загрузочному желобу и трубам. Сотрудники здания надели противогазы и эвакуировали здание. Уровни радиации на третьем этаже здания достигли 100 рентген в час (Р / ч) и были снижены до 100 мР / ч к 7 утра следующего дня. Наибольшее воздействие на человека составило 1,25 R жесткого излучения и 4,7 физического эквивалента рентгена мягкого излучения.

Препарат лантана

После доставки бариево-лантановый материал для Лос-Аламоса, он хранился в специальном здании на территории каньона Байо. Сначала смесь использовалась как есть, как барий, так и лантан вместе, но это привело к неприятному радиоактивному загрязнению, исчезновение которого заняло много времени, поскольку период полураспада бария-140 составляет 12,5 дней. Вскоре после этого процесс был улучшен; барий удаляли химически, двойным осаждением из раствора в виде сульфата бария.

. Процесс был снова улучшен, чтобы позволить повторное отделение лантана от раствора бария по мере накопления лантана. Первоначально использовался фосфатный процесс, при котором лантан осаждали в виде. Позднее от этого отказались, когда был разработан метод оксалата или гидроксида ; лантан осаждали в виде гидроксида лантана, а затем превращали в фильтруемый осадок путем добавления оксалата со следами фторида. Оксалатный метод необходимо было выполнять быстро, поскольку ион оксалата был подвержен радиолизу, а лантан имел тенденцию возвращаться в раствор. Оксалатный процесс может выполняться с помощью устройств с дистанционным управлением. Партии содержали около 100 кюри (3700 ГБк) радиолантана - самые высокие уровни радиации, с которыми люди когда-либо работали в то время. Необходимо было разработать специальные инструменты для удаленного обращения с горячими материалами. Свинцовые кирпичи использовались для защиты источников. Предел дозы облучения для персонала был установлен на уровне 500 мбэр (5 мЗв ) на подготовку источника. Иногда этот лимит превышался; как только полученная доза составила 2 бэр (20 мЗв).

Усовершенствованный процесс выделения лантана из раствора хлорида бария имел то преимущество, что барий можно было «доить» повторно, увеличивая выход радиолантана и позволяя больше экспериментов. Устранены проблемы радиоактивного загрязнения барием-140 с периодом полураспада 12,5 суток; количество загрязняющего стронция-90 также было значительно снижено. Использование очищенного лантана также позволило использовать гораздо меньшее количество материала в самих тестах. Полуавтоматическое оборудование для «доения лантана» (изотоп бария-140 получил прозвище «корова») было построено в достаточно удаленном районе, что позволило избежать трудоемкого строительства сильно экранированного здания. Вначале процесс натолкнулся на загвоздку, когда было обнаружено, что примеси железа и других металлов, вероятно, внесенные из облученного транспортного контейнера, ухудшили осаждение фосфата лантана, образуя фосфатные гели, которые забивали фильтры. Эта проблема была решена с помощью более совершенных транспортных контейнеров. Аналогичный процесс «доения» теперь используется для получения технеция-99m, используемого в ядерной медицине, из молибдена-99 «коровы» в Генераторы технеция-99m.

Процесс разделения проводился на специальном предприятии в каньоне Байо, в здании радиохимии, обозначенном TA-10-1. Затем отделенный лантан был отправлен на испытательную площадку в свинцовом контейнере на кузове грузовика. В 1951 году разделительные работы были перенесены на ТА-35. Испытания проводились в течение месяца, поскольку источник бария разлагался и периодически «доили» лантан.

Послевоенный прогресс

Технология была усовершенствована, и к 1951 г. четыре ионизационные камеры были заменены двадцатью сцинтилляционными счетчиками, в каждом из которых использовалось пять галлонов жидкого сцинтиллятора. Вспышки горящего сцинтиллятора на 100 галлонов США (380 л; 83 имп. Галлона) были чрезвычайно яркими ранним утром, когда обычно проводились испытания. Испытания RaLa продолжались до 1962 года, после чего их заменили более совершенными методами. В настоящее время для гидродинамических испытаний используется несколько других методов.

Долгосрочное загрязнение

Лантан-140 имеет короткий период полураспада, составляющий около 41 часа, и не представляет угрозы по прошествии довольно короткого времени. Другие радиоизотопы, присутствующие в виде примесей, имеют достаточно длительный период полураспада, чтобы представлять потенциальную проблему даже спустя десятилетия после испытаний; в 2002 году Национальная лаборатория Лос-Аламоса вынесла предупреждение округу Лос-Аламос и Лесной службе, выполняющей прореживание деревьев в этом районе, чтобы не удалять деревья, вырубленные в различных частях Байо. Каньон из-за возможного содержания остаточных радиоактивных материалов. Наиболее пострадавшие зоны отгорожены; обнаруживаемые уровни радиоизотопов присутствуют в почве, насекомых и деревьях на прилегающих территориях. Соседнее население не было проинформировано об испытаниях до середины 1990-х, и Лос-Аламос отказался рассекречивать документацию.

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-03 05:17:52
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте