Die realen wissenschaftlichen Dilemma hinter die neueste Episode von Manhattan

In der neuesten Episode von Manhattanschlagen die Physiker zugewiesen, die Pistole Modell Design für die Atombombe zu entwickeln ein großes Hindernis, die Pistole Modell endgültig zu sinken droht. Es ist ein Dilemma, das direkt aus den Geschichtsbüchern, zusammen mit der eventuellen Lösung gerissen.

Es gab zwei verschiedene Bombe Designs im Rahmen des Manhattan-Projekts entwickelt: die Implosion (genannt "Fat Man") und das Gewehr Modell ("Little Boy"). Die erste stützt sich auf Plutonium für die nukleare Kettenreaktion; Letztere verwendet eine seltene Uran-Isotop u-235.

Und darin lag die Schwierigkeit. Keiner der vorgeschlagenen Methoden für Uran enrichment—i.e., die kostbaren (spaltbares) u-235 aus rohen Uranerz abtrennen — machbar war. Dies war eine ernsthafte technische Frage, die wirklich fast die Pistole Modell für gute sinken.

General Leslie Groves (Leiter des Manhattan-Projekts) hatte immer zwei von allem; Er war ein Gürtel und Hosenträger-Art von Kerl. Die Armee entwickelte zwei Methoden zur Isotopentrennung, nach der Reihe technischer Berater, UCLA Physiker David Saltzberg, der freundlicherweise ein paar meiner Fragen über die Wissenschaft beantwortet. Eine elektromagnetische Trennung war, und der andere war Gasdiffusion.

EM Trennung war vor allem große, für die Herstellung von hochreinen u-235 nötig, um die Bombe Arbeit sowie auf bewährte Technologie beruhte. Pro der atomaren Heritage Foundation:

Die elektromagnetischen Methode, vorangegangen durch Alfred Nier von der University of Minnesota, verwendet ein Massenspektrometer oder Spektrograph, um einen Strom von geladenen Teilchen durch ein starkes Magnetfeld zu senden. Atome des Isotops leichter (u-235) würde mehr abgelenkt werden durch das Magnetfeld als das schwerere Isotop (u-238), was in zwei Strömen, die dann von verschiedenen Empfängern gesammelt werden konnten.

Aber der Prozess war kostspielig und zeitaufwändig sein, zumindest im Jahr 1940. Es hätte etwa 27.000 Jahren um ein einziges Gramm von u-235 auf diese Weise erhalten. Sie benötigt viel mehr Kraft kleiner Junge.

(Randbemerkung: EM Diffusion ursprünglich erfordert hätten rund 4500 Tonnen Kupfer für die Wicklungen in der Magnetspulen. Aber Kupfer war während des zweiten Weltkriegs. Glücklicherweise war Silber nicht. Die Armee angefordert 6000 Tonnen Silberbarren – oder 430.000 Feinunzen in den Einheiten, die bis dahin begünstigt-unter Annahmeurkunde Daniel W. Bell – vom US-Finanzministerium in Streifen extrudiert und auf Spulen aufgewickelt wurde. Nach dem Krieg Arbeiter waren in der Lage, fast alle das Silber geschmolzen in den Dielen unter den Maschinen zu retten – 99,99 %, nach Salztberg, obwohl er fügte hinzu: "sogar verlieren weniger als 1 % war eine Menge.")

Gasdiffusion schien ein bisschen mehr vielversprechend. Es war ein zeitaufwändiger Prozess der Fütterung Uranerz obwohl Tausende von porösem nickel Barrieren immer und immer wieder, immer ein bisschen mehr Reinheit bei jedem Durchgang. Wieder, pro der atomaren Heritage Foundation:

Die Gasdiffusion Prinzip war einfach: Moleküle eine leichtere Isotop würde durch eine poröse Barriere leichter als bei einem schwereren Isotop übergeben. Die winzigen Gewichtsunterschied zwischen u-235 und u-238 bedeutete die erste Trennung geringfügig sein. Wiederholen Sie den Vorgang hunderte Male in sequentiellen "Kaskaden", aber, und das Endprodukt wäre deutlich angereichertes Uran.

Aber Gasdiffusion nicht scale-up zu den notwendigen industriellen Niveaus benötigt für das Manhattan-Projekt. Und Zeit, natürlich, drängte.

Es war eine dritte Methode der Trennung, die kleinen Jungen schließlich gerettet: flüssige thermische Diffusion, entwickelt von einem Wissenschaftler namens Philip Abelson am Philadelphia Naval Yard. Dank Army/Navy Rivalität und das ganze Abschottung-Protokoll nicht die Wissenschaftler auf dem Hügel zu hören über diese neue Methode bis knapp zwei Monate vor dem Trinity-Test.

Flüssige thermische Diffusion nicht besonders reines u-235 Ausbeute – es könnte nur erhöhen die 0,7 % Reinheit des normalen Uran bis zu 1,4 % in einem Durchgang – aber es war ein Champion an der Verarbeitung des rohen Uranerz Megatonnen. Und es stellte sich heraus, die in der Lage, die Reinheit bei jedem Durchgang zu verdoppeln enorm vorteilhaft war, weil es die verbleibende Material zur Weiterverarbeitung auch deutlich reduziert.

Saltzberg sagte Gizmodo, die Mathematik ein bisschen unlogisch ist, aber unter der Annahme (der Einfachheit halber) 100 % Effizienz, mit kein u-235 während der Verarbeitung verloren, er Zahlen wie folgt:

Wenn Sie mit 1000 Pfund Natururan Produkt starten, enthält es nur 7 Pfund von u-235 innerhalb es. Wenn Sie es auf 1,4 % bereichern, dann haben Sie nur 500 Pfund, mit zu arbeiten, oder halb so viel zu verarbeiten. Auf 23 % zu bereichern, dann haben Sie nur 30 Pfund zu bewältigen in der nächsten Stufe, die noch viel leichter zu handhaben ist. Wenn Sie auf 84 % erhalten, ist es 8,3 Pfund, die von denen 7 Pfund u-235 ist.

Als fiktive Physiker Paul Crosley (Harry Lloyd) in der Episode, die kritische Einsicht sagt — oft zugeschrieben Haine — war, aufhören zu denken, der verschiedene Methoden miteinander konkurrieren, und betrachten sie als ergänzende, ihre jeweiligen Stärken zu nutzen. Am Ende verwendet sie flüssige thermische Diffusion, um massive tonnenweise roh Uranerz im sogenannten S-50 Werk zu verarbeiten. Dann benutzten sie EM Trennung und Gasdiffusion zu Finale hochreine, Bombe-Klasse u-235 in kleinen Jungen verwendet.

Der Rest, ist wie sie sagen, Geschichte.

Bild oben: John Benjamin Hickey spielt Frank Winter auf WGN Amerika Manhattan. Bild unten: kleiner Junge in der Bombe Grube auf Tinian Insel. Public Domain.