マンハッタン計画④ウラン

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今回はマンハッタン計画の英語版Wikipediaの翻訳をします。翻訳のプロではありませんので、誤訳などがあるかもしれませんが、大目に見てください。翻訳はDeepLやGoogle翻訳などを活用しています。

学問・思想・宗教などについて触れていても、私自身がそれらを正しいと考えているわけではありません。

マンハッタン計画
ウラン
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マンハッタン計画

ウラン

鉱石

このプロジェクトの主要原料はウランであり、原子炉の燃料として、プルトニウムに変換されるフィードとして、そして濃縮された形で原子爆弾そのものに使用された。1940年当時、ウランの主な埋蔵地は、コロラド、カナダ北部、チェコスロヴァキアのヨアヒムスタール、ベルギー領コンゴの4カ所であることが知られていた。ヨアヒムスタール以外はすべて連合国の手中にあった。年11月の調査で、プロジェクトの必要量を満たす十分な量のウランが入手可能であることが分かった。ニコルズは、国務省に酸化ウランの輸出規制をかけ、スタテン島の倉庫に保管されていたベルギー領コンゴのウラン鉱石1200ショートトン（1100トン）とコンゴに保管されていた採掘鉱石の残りの在庫を購入するよう交渉にあたった。エルドラド・ゴールド・マインズ社とは、オンタリオ州ポートホープの精錬所から鉱石を購入し、100トンロットで出荷するよう交渉した。その後、カナダ政府は同社の株式を買い集め、支配権を獲得した。

米英の指導者は、戦時中の必要量を確保する一方で、世界のウラン鉱床をできるだけ多く支配することが、自国の利益になると考えた。最も豊富な鉱脈を持つのはベルギー領コンゴのシンコロブエ鉱山であったが、水没して閉鎖された。ニコルズは、この鉱山を所有していたオー・カタンガ鉱業組合の理事、エドガー・センギエに、鉱山再開と将来の全生産量の米国への売り込みを交渉して失敗した。そして、この案件は合議制の政策委員会で取り上げられた。ユニオン・ミニエールの株式の30パーセントはイギリスの利害関係者によって支配されていたため、イギリスが交渉の主導権を握った。ジョン・アンダーソン卿とジョン・ワイナント大使は、1944年5月にセンギアとベルギー政府との間で、鉱山の再開と1720ショートトン（1560トン）の鉱石を1ポンド1.45ドルで購入する取引を成立させることに成功させた。さらにグローヴスは、鉱石のイギリスやカナダへの依存を避けるため、コロラド州ウラバンにあるアメリカ・バナジウム社の備蓄の購入も手配した。コロラド州でのウラン採掘では、約800ショートトン（730トン）の鉱石が採掘された。

ミズーリ州セントルイスのマリンクロット・インコーポレイテッドは、原料鉱石を採取し、硝酸で溶かして硝酸ウラニルを製造した。その後、液液抽出でエーテルを加え、硝酸ウラニルから不純物を分離した。これを加熱して三酸化ウランにし、さらに還元して高純度の二酸化ウランにした。マリンクロット社は1942年7月までに、高純度の酸化物を1日1トン生産していたが、これをウラン金属に変えるのは、請負業者のウェスティングハウス社とメタルハイドライド社にとって当初より困難なことであった。生産に時間がかかりすぎ、品質も受け入れがたいほど低かったのだ。アイオワ州エイムズのアイオワ州立大学に冶金研究所の特別部門が設立され、フランク・スペディングの下で代替品の調査が行われた。これはエイムズ・プロジェクトとして知られるようになり、そのエイムズ・プロセスは1943年に利用可能となった。

同位体分離

天然ウランは99.3%のウラン238と0.7%のウラン235からなるが、後者だけが核分裂性である。化学的に同一のウラン235は、より多く存在する同位体から物理的に分離する必要がある。ウラン濃縮には様々な方法が検討され、そのほとんどがオークリッジで実施された。

最も分かりやすい技術である遠心分離機は失敗したが、電磁分離、気体拡散、熱拡散の各技術は成功し、プロジェクトに貢献した。1943年2月、グローヴスは、あるプラントの出力を他のプラントの入力として使用することを思いついた。

遠心分離機

1942年4月、遠心分離法は唯一の有望な分離方法と考えられていた。1930年代にジェシー・ビームスがバージニア大学で開発したものだが、技術的な問題があった。このプロセスは高い回転速度を必要としたが、ある速度で調和振動が発生し、機械が引き裂かれる恐れがあった。そのため、この速度まで素早く加速する必要があった。1941年、彼は唯一知られているウランの気体化合物である六フッ化ウランの研究を開始し、ウラン235を分離することに成功した。コロンビア大学では、ユーレイがカール・コーエンにこのプロセスを調査させ、遠心分離装置の設計を可能にする数学的理論を構築し、ウェスティングハウス社がその建設を請け負った。

これを生産工場にスケールアップすることは、手強い技術的課題であった。ウレイとコーエンは、1日当たり1キログラム（2.2ポンド）のウラン235を生産するには、1メートル（3フィート3インチ）のローターを備えた遠心分離機を最大5万台、または4メートル（13フィート）のローターが建設可能だと仮定して1万台の遠心分離機を必要とすると推定している。しかし、これほど多くのローターを高速で連続運転することは困難であり、ビームスが実験装置を動かしたところ、予測された収量の60％しか得られず、より多くの遠心分離機が必要であることが示された。その後、ビームス、ユーレイ、コーエンの3人は、プロセスの効率化を約束する一連の改良に取り掛かった。しかし、高速回転するモーター、シャフト、ベアリングの故障が頻発し、パイロットプラントでの作業は遅々として進まなかった。1942年11月、コナント、ニコルズ、ストーン・アンド・ウェブスター社オーギュスト・C・クレインの提言を受けて、遠心分離法は軍事政策委員会により放棄された。

遠心分離機法はマンハッタン計画で放棄されたが、戦後、ソ連と捕虜となったドイツの技術者がソ連で開発したジッペ式遠心分離機の導入により、遠心分離機の研究は大きく前進した。第二次世界大戦中に使用された他の分離方法よりもはるかに経済的で、最終的にウラン同位体分離の方法として好まれるようになった。

電磁波による分離（Y‐12プロジェクト）

電磁波による同位体分離は、カリフォルニア大学放射線研究所のローレンスによって開発された。この方法は、標準的な実験室用質量分析計とサイクロトロン磁石を組み合わせたカルトロンと呼ばれる装置を使用するものである。この名前は、カリフォルニア、大学、サイクロトロンに由来している。電磁気法では、磁場が荷電粒子を質量に応じて偏向させる。この方法は、科学的に優れ、工業的にも効率的な方法ではなかった。気体拡散装置や原子炉に比べ、希少物質の消費量が多く、運転に人手がかかり、建設費もかかる。しかし、実績のある技術に基づいているため、リスクが少ないという理由で承認された。しかも、段階的に建設することができ、短期間で工業化することができる。

マーシャルとニコルズは、電磁波による同位体分離を行うには5000ショートトン（4500トン）の銅が必要であることを発見したが、銅は絶望的に不足している状態だった。しかし、銀なら11対10の割合で代用できる。1942年8月3日、ニコルズは財務次官ダニエル・W・ベルに会い、ウエストポイント地金庫から6000トンの銀塊の移送を依頼した。「ベルは、「あなたは銀をトン単位で考えているかもしれないが、財務省は常に銀をトロイオンス単位で考えるだろう」と告げました。最終的に、1万4700ショートトン（1万3300トン、4億3000万トロイオンス）が使用された。

1000トロイオンス（31kg）の銀塊は、円筒形のビレットに鋳造され、ニュージャージー州ベイウェイのフェルプス・ダッジに運ばれ、厚さ0.625インチ（15.9mm）、幅3インチ（76mm）、長さ40フィート（12m）に押し出された後、塑像された。これをウィスコンシン州ミルウォーキーのアリス・チャーマーズ社で磁気コイルに巻き取った。戦後、機械はすべて解体され、洗浄され、機械の下の床板もはがされて焼かれ、微量の銀が回収された。結局、失われたのは1/360万に過ぎなかった。1970年5月、最後の銀が返還された。

1942年6月、S-1委員会からストーン＆ウェブスター社に、Y-12と呼ばれる電磁分離装置の設計と建設の責任が委ねられた。設計では、アルファ・レーストラックと呼ばれる5つの初段処理ユニットと、ベータ・レーストラックと呼ばれる2つの最終処理ユニットが計画された。1943年9月、グローヴスはアルファIIと呼ばれるさらに4つのレーストラックの建設を許可した。建設は1943年2月に始まった。

10月に予定通り試験運転を開始したところ、14トンの真空タンクが磁石の力でズレたため、より強固に固定する必要があった。さらに、磁気コイルがショートしてしまうという深刻な問題が発生した。12月になってから、磁石を割ってみたら、中からサビがいっぱい出てきた。そこで、レーストラックを解体し、磁石を工場に送って洗浄するよう命じた。また、配管や継ぎ手を洗浄するために、現地に酸洗工場が設けられた。第2アルファIが稼働したのは1944年1月末、第1ベータと第1、第3アルファIが稼働したのは3月、第4アルファIが稼働したのは4月であった。4台のαIIレーストラックは、1944年7月から10月にかけて完成した。

テネシー・イーストマン社はY-12の管理を通常のコストプラス固定料金制で契約し、料金は月額2万2500ドルと最初の7レーストラックで1レーストラックあたり7500ドル、追加1レーストラックあたり4000ドルであった。カルトロンは当初、バークレー校の科学者がバグを取り除き、適正な稼働率を達成するために操作していた。その後、高校しか出ていないテネシー・イーストマンの訓練されたオペレーターに引き渡された。ニコルズは、生産量データを比較し、若い「田舎者」の少女オペレーターが博士号取得者よりも優れていることをローレンスに指摘した。これは、テネシー・イーストマン社の従業員や監督者の士気を高めた。彼女たちは「理由を説明しないように兵士のように訓練された」一方で、「科学者たちは、ダイヤルのわずかな変動の原因について、時間をかけて調査することを避けることができなかった」のである。

Y-12は当初、ウラン235の含有量を13％から15％まで濃縮し、1944年3月に最初の数百グラムをロスアラモスに出荷した。最終製品になったのは、5825分の1のウランフィードだけであった。残りの多くは、工程で機器に飛び散った。懸命な回収作業により、1945年1月にはウラン235の生産量はフィードの10％にまで上昇した。2月、アルファレース場は、新しいS-50熱拡散プラントからわずかに濃縮された（1.4％）フィードの供給を開始した。翌月には、K-25気体拡散プラントから濃縮（5％）されたフィードを受け取った。8月までに、K-25はベータ線路に直接供給するのに十分な濃縮ウランを生産していた。

気体拡散（K‐25プロジェクト）

同位体分離の方法として最も有望でありながら、最も困難なのが気体拡散であった。グラハムの法則とは、気体の流出速度は分子量の平方根に反比例するというもので、半透膜の入った箱に2種類の気体の混合物を入れると、軽い分子の方が重い分子よりも速く容器から外に出て行ってしまうのだ。そのため、半透明の膜と2つの気体の混合物を入れた箱の中では、軽い分子の方が重い分子よりも早く容器から出て行く。容器から出て行く気体は軽い分子がやや多く、残留する気体はやや少なくなっている。そこで、このような箱をポンプと膜でカスケード状に形成し、連続するステージごとに少しずつ濃縮された混合ガスを供給することを考えたのである。このプロセスの研究は、コロンビア大学のハロルド・ユーレイ、カール・P・コーエン、ジョン・R・ダニングらのグループによって行われた。

1942年11月、軍事政策委員会は600ステージの気体拡散装置の建設を承認した。12月14日、M・W・ケロッグはコードネームK-25と呼ばれるこのプラントの建設の申し出を受諾した。コストプラス固定報酬の契約交渉が行われ、最終的には総額250万ドルとなった。ケロッグの副社長であったパーシバル・C・キースが社長を務め、ケレックスという別会社を設立してのプロジェクトとなった。しかし、技術的な難題は山積みである。腐食性の強い六フッ化ウランを使用しなければならず、またモーターとポンプは真空で不活性ガスに封入しなければならなかった。最大の問題はバリアの設計で、六フッ化ウランに腐食されない強度と多孔質でなければならない。そのためには、ニッケルが最適と思われた。エドワード・アドラーとエドワード・ノリスは、ニッケルに電気メッキを施したメッシュ状のバリヤーを開発した。コロンビア大学に6ステージのパイロットプラントを建設してテストを行ったが、ノリス＝アドラーのプロトタイプはあまりにもろいことが判明した。ケレックス社、ベル電話研究所、ベークライト社により、粉末ニッケルから対抗バリアが開発された。1944年1月、グローヴスはケレックス社のバリアーを生産するよう命じた。

ケレックスのK-25の設計では、4階建ての0.5マイル（0.80km）のU字型構造で、54の連続した建物を含むことになっていた。これらは、9つのセクションに分けられていた。その中に6つのステージのセルがあった。セルは独立に、あるいは1つのセクションの中で連続的に作動させることができた。また、各セクションは別々に、あるいは1つのカスケードとして作動させることができた。1943年5月、測量隊が500エーカー（2.0km²）の敷地に印をつけ、建設を開始した。1943年10月に主要建物の建設が始まり、1944年4月17日に6ステージのパイロットプラントが稼働した。1945年、グローヴスは工場の上段をキャンセルし、代わりにケレックスに540ステージのサイドフィード装置（K-27として知られる）の設計と建設を指示した。ケレックスは1945年9月11日、最後のユニットを操業請負業者であるユニオン・カーバイド・アンド・カーボンに譲渡した。戦後に完成したK-27プラントを含め、総工費は4億8000万ドルにのぼった。

1945年2月に生産工場が操業を開始し、カスケードが次々と稼働するにつれ、製品の品質も向上していった。1945年4月には、K-25は1.1％の濃縮度に達し、S-50熱拡散プラントの生産物がフィードとして使用され始めた。翌月には7％近い濃縮度の製品も生産された。8月には、2892ステージのうち最後の1ステージが運転を開始した。K-25、K-27は、戦後間もない時期にその威力を発揮し、他の生産工場を凌駕して新世代のプラントの原型となったのである。

熱拡散（K‐50プロジェクト）

熱拡散プロセスは、シドニー・チャップマンとデビッド・エンスコグの理論に基づくもので、混合ガスが温度勾配を通過するとき、重いものは冷たいほうに、軽いものは温かいほうに集中する傾向があることを説明したものである。高温の気体は上昇し、低温の気体は下降する傾向があるので、これを同位体分離の手段として利用することができる。この方法は、1938年にドイツのクラウス・クルシウスとゲルハルト・ディッケルによって初めて実証された。アメリカ海軍の科学者によって開発されたが、当初マンハッタン計画で使用される濃縮技術の1つには選ばれなかった。これは主に技術的な実現可能性に対する疑念によるものであったが、陸軍と海軍の軍間対立も一因であった。

1944年4月、ロスアラモスで兵器開発を担当する海軍士官ウィリアム・S・パーソンズ大尉が、海軍の熱拡散の実験が順調に進んでいるというニュースをオッペンハイムに持ってきたときまで、海軍研究所はフィリップ・アベルソンの指導の下で研究を続けたが、マンハッタン計画との接触はほとんどなかった。オッペンハイマーはグローヴスに、熱拡散プラントの出力をY-12に供給することを提案する手紙を書いた。グローヴスは、ウォーレン・K・ルイス、エガー・マーフリー、リチャード・トルマンからなる委員会を設置し、このアイデアを調査した。彼らは、350万ドルの熱拡散プラントで、1週間に50キログラム（110ポンド）のウランをほぼ0.9%のウラン235まで濃縮できると試算した。グローヴスは1944年6月24日、その建設を承認した。

グローヴスは、オハイオ州クリーブランドのH・K・ファーガソン社と契約し、S-50と名付けられた熱拡散プラントを建設した。グローヴスの顧問であるスタンダード・オイル社のカール・コーエンとW・I・トンプソンは、建設に6カ月かかると見積もっていた。グローヴスはファーガソンにわずか4ヶ月を与えただけであった。計画では、21のラックに配置された高さ48フィート（15m）の拡散柱2142本の設置が予定されていた。その中には、3本の同心円状のチューブが収められている。近くのK-25発電所から、圧力690キロパスカル、温度545 °F (285 °C)の蒸気が、一番内側の1.25インチ（32ミリ）ニッケルパイプを通り、155 °F (68 °C)の水が一番外側の鉄パイプを通って上向きに流れている。六フッ化ウランは真ん中の銅パイプを流れ、ニッケルパイプと銅パイプの間でウランの同位体分離が行われた。

1944年7月9日に作業が開始され、9月にS-50は部分的な運転を開始した。ファーガソンはファークレブという子会社を通じてこの工場を運営した。10月に生産された0.852％のウラン235は、わずか10.5ポンド（4.8kg）であった。その後数カ月は生産が制限され、操業停止を余儀なくされたが、1945年6月には1万2730ポンド（5770キログラム）を生産した。1945年3月には、21基の生産ラックがすべて稼働した。当初、S-50の出力はY-12に供給されていたが、1945年3月からは3つの濃縮工程がすべて直列に実行されるようになった。S-50は第1段となり、0.71%から0.89%まで濃縮された。これをK-25工場の気体拡散法に投入し、約23％に濃縮したものを生産した。これをY-12に供給し、核兵器に十分な約89％に高めた。