Quặng

Nguyên liệu thô chủ yếu của dự án là urani - được sử dụng làm nhiên liệu của lò phản ứng, làm chất liệu để chế tạo plutoni và làm bom nguyên tử (dưới dạng được làm giàu). Vào thời điểm năm 1940, có bốn mỏ lớn urani được biết tới: ở Colorado, ở bắc Canada, ở Joachimstal thuộc Tiệp Khắc và ở Congo thuộc Bỉ;[112] trừ Joachimstal còn lại 3 mỏ kia đều nằm trong tay Đồng minh. Một cuộc khảo sát vào tháng 11 năm 1942 xác định rằng dự án có đủ nguồn cung cấp urani để chế tạo bom.[113] Nichols sắp xếp với Bộ Ngoại giao Hoa Kỳ để kiểm soát việc xuất khẩu oxit urani và thương thảo việc mua 1200 tấn Anh quặng urani từ Congo thuộc Bỉ đang được trữ trong một kho thuộc Đảo Staten và lượng quặng đã được đào đang trữ ở Congo. Ông thảo luận với Công ty Mỏ vàng Eldorado để mua quặng từ mỏ ở Port Hope, Ontario, vận chuyển theo mỗi lô 100 tấn. Chính phủ Canada sau đó tìm cách mua lại cổ phiếu công ty này cho đến khi nắm được cổ phần kiểm soát.[114]

Mặc dù những thương vụ trên đảm bảo nguồn cung cấp đầy đủ cho các nhu cầu thời chiến, các nhà lãnh đạo Hoa Kỳ và Anh đi đến chỗ quyết định rằng lợi ích quốc gia của họ đòi hỏi phải nắm quyền kiểm soát càng nhiều càng tốt các mỏ urani trên toàn thế giới. Nguồn quặng giàu nhất là ở mỏ Shinkolobwe ở Congo thuộc Bỉ, nhưng nơi này đã bị lụt và phải đóng cửa. Nichols tìm cách thỏa thuận để mở cửa lại mỏ và thu mua toàn bộ sản lượng trong tương lai với Edgar Sengier, giám đốc công ty sở hữu mỏ, Union Minière du Haut Katanga, nhưng không thành công.[115] Vấn đề này được đưa lên Ủy ban Chính sách Hỗn hợp. Vì 30% cổ phần công ty nằm trong tay người Anh, nước Anh đóng vai trò chính trong các cuộc thương thảo. Tử tước Waverley và Đại sứ John Winant tìm ra một thỏa thuận với Sengier và chính phủ Bỉ lưu vong vào tháng 5 năm 1944 để mở lại mỏ và bán 1720 tấn Anh quặng với giá 1,45 đô la một bảng.[116] Để tránh sự phụ thuộc vào Anh và Canada, Groves cũng sắp xếp để mua kho dự trữ urani của Tập đoàn Vanadium Hoa Kỳ ở Uravan, Colorado. Các mỏ ở Colorado sản xuất được khoảng 800 tấn Anh quặng.[117]

Tập đoàn Mallinckrodt ở St. Louis, Missouri, nhận quặng thô và hòa tan nó trong axit nitric để sản xuất uranyl nitrat (UO2(NO3)2. Ether được hòa vào để loại chất pha tạp trong một quá trình trích xuất dung môi. Uranyl nitrat sau đó được nung để tạo thành urani trioxit, rồi cuối cùng thu được urani dioxit có độ tinh khiết cao.[118] Tới tháng 7 năm 1942, Mallinckrodt sản xuất được 1 tấn oxit tinh khiết 1 ngày, nhưng chuyển nó thành urani kim loại ban đầu tỏ ra khó khăn hơn nhiều đối với các nhà thầu Westinghouse và Metal Hydrides.[119] Sản lượng rất thấp, còn chất lượng thấp một cách không thể chấp nhận. Một nhánh đặc biệt của Phòng thí nghiệm Luyện kim được thành lập ở Đại học Bang Iowa ở Ames, Iowa, dưới quyền Frank Spedding để nghiên cứu phương pháp thay thế, và quá trình Ames (mô tả trong hình phía dưới) đi vào vận hành năm 1943, cho phép sản xuất urani kim loại quy mô lớn.[120]

Phân tách đồng vị

Urani tự nhiên chứa 99,3% urani-238 và 0.7% urani-235, nhưng chỉ đồng vị sau mới có thể phân hạch. Urani-235 giống hệt về hóa học với đồng vị chính nên chỉ có thể tách ra bằng phương pháp vật lý. Nhiều phương pháp làm giàu urani khác nhau đã được xem xét, hầu hết thực hiện tại Oak Ridge.[121]

Công nghệ trực tiếp nhất, phương pháp ly tâm, thất bại, nhưng các công nghệ phân tách điện từ, khuếch tán khí và khuếch tán nhiệt đều thành công và đóng góp vào dự án. Tháng 2 năm 1943, Groves đi đến ý tưởng sử dụng sản phẩm đầu ra của nhà máy này (làm giàu mức thấp) làm nguyên liệu đầu vào cho nhà máy khác.[122]

Oak Ridge là nơi tiến hành mốt số kĩ thuật tách urani khác nhau. Nhà máy phân tách điện từ Y-12 nằm ở phía trên bên phải. Các nhà máy khuếch tán khí K-25 và K-27 nằm ở phía dưới bên trái, gần nhà máy khuếch tán nhiệt S-50. (X-10 là nhà máy sản xuất plutoni.)

Máy ly tâm

Quá trình ly tâm được xem là phương pháp phân tách duy nhất có triển vọng vào tháng 4 năm 1942.[123] Jesse Beams đã phát triển một quá trình như vậy ở Đại học Virginia những năm 1930, nhưng gặp phải những khó khăn kĩ thuật. Quá trình này cần vận tốc quay rất cao nhưng, ở những vận tốc nhất định dao động điều hòa sinh ra đe dọa xé tan cỗ máy. Do đó cần thiết phải tăng tốc rất nhanh qua những vận tốc này. Năm 1941 ông bắt đầu làm việc với urani hexaflorit, hợp chất duy nhất của urani ở dạng khí, và tách thành công urani-235. Ở Columbia, Urey yêu cầu Cohen xem xét quá trình, và Cohen tạo ra một tập hợp lý thuyết toán học cho phép thiết kế một bộ phân tách ly tâm, giao cho Westinghouse tiến hành xây dựng.[124]

Việc nhân rộng quy mô quá trình này cho nhà máy sản xuất gây ra một thách thức kĩ thuật gay go. Urey và Cohen ước tính rằng để sản xuất 1 kg urani-235/ngày cần tới 50 nghìn máy ly tâm với rôto kích thước 1m, hoặc 10 nghìn máy rôto 4m, giả sử chế tạo được rôto 4m (vốn chưa có thời bấy giờ). Viễn cảnh giữ cho nhiều rôto vận hành liên tục ở tốc độ cao tỏ ra gây nản chí,[125] và khi Beams vận hành thiết bị thí nghiệm của ông, ông chỉ thu được 60% sản lượng tiên đoán, nghĩa là cần nhiều máy ly tâm hơn nữa. Beams, Urey và Cohen bắt đầu nghiên cứu một loạt những cải tiến hứa hẹn có thể tăng hiệu suất của quá trình. Tuy nhiên, những lần hỏng hóc thường xuyên của động cơ, trục và giá đỡ ở tốc độ cao làm cản trở công việc ở nhà máy chạy thử.[126] Tháng 11 năm 1942 quá trình ly tâm bị Ủy ban Chính sách Quân sự loại bỏ theo một khuyến nghị từ Conant, Nichols và August C. Klein của Stone & Webster.[127]

Phân tách điện từ

Phân tách điện từ được phát triển bởi Lawrence ở Phòng thí nghiệm Bức xạ Đại học California. Phương pháp này sử dụng các thiết bị được gọi là calutron, một thiết bị lai giữa một phổ kế khối lượng thông thường ở phòng thí nghiệm và cyclotron. Tên gọi của nó hợp thành từ các chữ cái trong "California", "university" và "cyclotron".[128] Trong quá trình điện từ, một từ trường làm chệch hướng các hạt mang điện theo những góc khác nhau phụ thuộc vào khối lượng.[129] Quá trình này không khéo léo về mặt khoa học cũng không hiệu quả trên phương diện công nghiệp.[130] So với một nhà máy khuếch tán khí hay lò phản ứng hạt nhân, một nhà máy phân tách điện từ sẽ tiêu thụ nhiều vật liệu hiếm hơn, đòi hỏi nhiều nhân lực để vận hành hơn, và xây dựng tốn kém hơn. Tuy nhiên, quá trình này được chấp thuận vì nó dựa trên một công nghệ đã được thực hiện và do đó ít có rủi ro hơn. Hơn nữa, nó có thể xây dựng theo từng tầng, và đạt tới quy mô công nghiệp nhanh chóng.[128]

Trường đua Alpha I khổng lồ tại Y-12

Marshall và Nichols phát hiện ra rằng quá trình phân tách đồng vị điện từ sẽ cần 5000 tấn đồng, vốn đang rất thiếu thốn khi đó. Tuy nhiên, người ta thấy rằng có thể thay thế bằng bạc, với tỉ lệ 11:10. Ngày 3 tháng 8 năm 1942, Nichols gặp Thứ trưởng Bộ Ngân khố Daniel W. Belll để yêu cầu chuyển giao 6000 tấn bạc thỏi từ Kho West Point. "Anh bạn trẻ", Bell nói với ông, "anh có thể tính bạc bằng tấn nhưng Bộ Ngân khố luôn tính bạc theo ounce!"[131] Trên thực tế, bạc vẫn được chuyển giao và dự án đã sử dụng tới 14700 tấn.[132]

Những thỏi bạc 1.000 ounce troy (31 kg) được đúc thành những thanh hình trụ và đem tới hãng Phelps Dodge ở Bayway, New Jersey nơi chúng được cán thành những dải dày 0,625 inch (15,9 mm), rộng 3 inch (76 mm) và dài 40 foot (12 m). Sau đó chúng được cuộn thành cuộn nam châm bởi hãng Allis-Charmers ở Milwaukee, Wisconsin. Sau chiến tranh, tất cả các máy móc được tháo dỡ và cọ sạch, còn tất cả các tấm sàn gần máy móc cũng được lột ra và đem đốt để thu hồi những vảy bạc vương vãi. Kết quả là vào cuối dự án, chỉ có 1/3600000 lượng bạc bị mất mát.[132][133] Lượng bạc này được trả lại cho Ngân khố Liên bang, một quá trình chỉ kết thúc tháng 5 năm 1970.[134]

Ủy ban S-1 giao trách nhiệm thiết kế và xây dựng nhà máy phân tách điện từ, được gọi với mật danh Y-12, cho Stone & Webster tháng 6 năm 1942. Thiết kế cần các bộ xử lý 5 giai đoạn, được gọi là các "trường đua" (racetrack) Alpha, và hai bộ xử lý cuối cùng, được gọi là các trường đua Beta. Vào tháng 9 năm 1943 Groves cho phép xây dựng thêm 4 trường đua nữa, gọi là Alpha II. Công việc bắt đầu vào tháng 2 năm 1943.[135]

Khi nhà máy khởi động chạy thử lên lịch vào tháng 10, các bình chân không 14 tấn tuột ra khỏi hệ thống bởi công suất của các nam châm siêu mạnh, và phải được đóng chặt lại cẩn thận hơn. Một vấn đề nghiêm trọng hơn nảy sinh khi các cuộn nam châm bắt đầu bị chập mạch. Tháng 12 Groves ra lệnh gỡ nam châm, đập vỡ ra và họ phát hiện thấy những nắm gỉ ở bên trong. Groves ra lệnh tháo hết các trường đua và gửi nam châm về xưởng để làm sạch. Một nhà máy tẩy rửa bằng axit được thành lập ở Oak Ridge để rửa những ống và máy móc.[130] Trường đua Alpha I thứ hai không hoạt động cho đến cuối tháng 1 năm 1944, trong khi các trường đua Beta đầu tiên và Alpha I thứ nhất và thứ ba hoạt động vào tháng 3, cái thứ tư vào tháng 4. 4 trường đua Alpha II được hoàn thành giữa tháng 7 và tháng 10 năm 1944.[136]

Những người vận hành ở các bàn điều khiển của họ ở Y-12. Gladys Owens, người phụ nữ ngồi ở phía trước, không biết thứ mình đã liên quan tới cho tới khi đi cùng một đoàn du lịch tới thăm cơ sở năm mươi năm sau và ngẫu nhiên bắt gặp bức ảnh này.[137]

Hãng Tennessee Eastman được thuê để vận hành Y-12 theo hợp đồng gồm giá và tiền khoán nhất định, với khoản tiền 22500 đô la mỗi tháng cộng thêm 7500 mỗi trường đua cho 7 trường đua đầu tiên và 4000 cho mỗi trường đua từ thứ 8 trở đi.[138] Các calutron ban đầu được vận hành bởi các nhà khoa học từ Berkeley để loại bỏ trục trặc kĩ thuật và đạt được một tốc độ vận hành hợp lý. Sau đó chúng được chuyển qua tay các điều hành viên từ Tennessee Eastman được huấn luyện, những người chỉ có bằng tốt nghiệp trung học. Nichols so sánh dữ liệu sản phẩm hai đơn vị, và chỉ cho Lawrence thấy rằng cô gái điều hành viên trẻ "từ rừng rú" vượt trội những tiến sĩ của ông này. Họ thỏa thuận làm một cuộc thi về tốc độ sản xuất và Lawrence bị thua cuộc, một sự cổ vũ tinh thần cho các công nhân Eastman và giám sát viên. Các cô gái "được huấn luyện như những người lính để không băn khoăn về lý do", trong khi "các nhà khoa học không thể nhịn được việc khảo sát tốn thời gian về nguyên nhân của ngay cả những dao động nhỏ trên các con số."[139]

Y-12 ban đầu làm giàu hàm lượng urani-235 tới khoảng từ 13 tới 15%, và chuyển vài trăm gam sản phẩm đầu tiên tới Los Alamos vào tháng 3 năm 1944. Chỉ 1/5825 lượng chất liệu urani đưa vào tạo ra sản phẩm cuối cùng. Phần còn lại rơi vãi lên thiết bị trong quá trình. Các nỗ lực thu hồi căng thẳng đã làm tăng sản lượng nên 10% urani đầu vào tháng 1 năm 1945. Vào tháng 2 các trường đua bắt đầu nhận những chất liệu đã được làm giàu một ít (1,4%) từ các nhà máy khuếch tán nhiệt S-50 mới. Tháng sau đó nó nhận được chất liệu cải tiến (5%) từ nhà máy khuếch tán khí K-25. Tới tháng 4 K-25 đã có thể sản xuất urani đủ giàu để đưa thẳng vào các trường đua Beta.[140]

Khuếch tán khí

Phương pháp phân tách đồng vị hứa hẹn nhất nhưng cũng nhiều thách thức nhất là khuếch tán hơi. Định luật Graham khẳng định rằng tốc độ khuếch tán lỗ hẹp của một chất khí tỉ lệ nghịch với căn bậc hai khối lượng phân tử của nó, đo đó trong một bình chứa với một màng bán thẩm thấu chứa hỗn hợp hai khí, các phân tử nhẹ hơn sẽ thoát ra khỏi bình chứa nhanh hơn các phân tử nặng hơn. Khí nằm lại trong bình do đó sẽ ít nhiều được làm giàu (xét tới đồng vị nhẹ hơn). Ý tưởng chính của phương pháp là những bình chứa như vậy có thể xếp thành những tầng thang gồm bơm và màng, mỗi tầng liên tiếp sẽ làm giàu hỗn hợp thêm một chút. Nghiên cứu về quá trình này được thực hiện ở Đại học Columbia bởi một nhóm bao gồm Harold Urey, Karl P. Cohen và John R. Dunning.[141]

Nhà máy K-25 ở Oak Ridge

Vào tháng 11 năm 1942 Ủy ban Chính sách Quân sự phê chuẩn việc xây dựng một nhà máy khuếch tán khí 600 tầng.[142] Ngày 14 tháng 12, công ty M. W. Kellogg chấp nhận một đề nghị xây dựng nhà máy, có mật danh là K-25. Hai bên thỏa thuận hợp đồng, với chi phí cuối cùng lên tới 2,5 triệu đô la. Một chi nhánh riêng mang tên Kellex được lập ra để thực hiện dự án, do một phó chủ tịch của Kellogg là Percival C. Keith đứng đầu.[143] Quá trình này gặp phải những khó khăn kĩ thuật gay go. Khí urani hexafluoride UF6 có tính ăn mòn cao, trong khi không có chất nào thay thế nó được, cho nên các động cơ và bơm phải đặt trong chân không và bao bọc bởi khí trơ. Vấn đề lớn nhất là thiết kế những hàng rào, cần phải khỏe, xốp và chống ăn mòn. Lựa chọn tốt nhất cho điều này xem ra là nickel. Edward Adler và Edward Norris tạo nên một hàng rào dạng lưới từ nickel mạ điện. Một nhà máy chạy thử 6 tầng được xây ở Columbia để thử nghiệm quá trình, nhưng nguyên mẫu Norris-Adler tỏ ra quá giòn. Một thiết kế hàng rào cạnh tranh với nó được phát triển từ nickel dạng bột bởi Kellex, Phòng thí nghiệm Bell và tập đoàn Bakelite. Tháng 1 năm 1944, Groves quyết định đưa hàng rào Kellex vào sản xuất.[144][145]

Thiết kế của Kellex cho K-25 cần một cấu trúc hình chữ U 4 tầng dài 0,5 dặm (0,80 km) gồm 54 tòa nhà liền kề nhau. Chúng được chia làm 9 khu vực, bên trong là những buồng 6 tầng. Các buồng này có thể vận hành độc lập, hoặc liên thông trong một khu vực. Tương tự, các khu vực có thể hoạt động riêng rẽ hoặc như một phần của một cấu trúc xếp tầng duy nhất. Một đội khảo sát đánh dấu một địa điểm rộng 500 mẫu Anh (2,0 km2) vào tháng 5 năm 1943. Công trình trên tòa nhà chính bắt đầu tháng 10 năm 1943, và nhà máy chạy thử 6 tầng đã sẵn sàng hoạt động vào ngày 17 tháng 4 năm 1944. Năm 1945 Groves hủy bỏ các tầng trên của nhà máy, chỉ đạo Kellex thay vào đó thiết kế và xây dựng một cấu trúc 540 tầng tiếp liệu từ phía bên, được gọi là K-27. Kellex chuyển đơn vị cuối cùng cho nhà thầu điều hành Liên đoàn Carbide và Carbon, vào ngày 11 tháng 9 năm 1945. Tổng chi phí, bao gồm nhà máy K-27 hoàn thành sau chiến tranh, lên tới khoảng 480 triệu đô la.[146]

Nhà máy sản xuất bắt đầu vận hành tháng 2 năm 1945, và khi hết tầng thang này tới tầng khác đi vào hoạt động, chất lượng được tăng lên. Tới tháng 4 năm 1945, K-25 đã đạt độ giàu 1,1% và thành phẩm từ nhà máy khuếch tán nhiệt S-50 bắt đầu được dùng làm vật liệu đầu vào. Một số sản phẩm tạo ra tháng sau đó đạt độ giàu gần 7%. Tháng 8 chứng kiến tầng cuối cùng trong tổng số 2892 tầng bắt đầu hoạt động. K-25 và K-27 đạt tới công suất đầy đủ vào thời đầu hậu chiến, khi chúng làm lu mờ các nhà máy sản xuất khác và trở thành nguyên mẫu cho một thế hệ những nhà máy mới.[147]

Khuếch tán nhiệt

Quá trình khuếch tán nhiệt dựa trên Lý thuyết Chapman-Enskog của Sydney Chapman và David Enskog, giải thích rằng khi một hỗn hợp khi đi qua một miền chênh lệch nhiệt độ, khí nặng hơn sẽ tập trung ở đầu lạnh hơn còn khí nhẹ hơn sẽ ở đầu nóng hơn. Vì các khí nóng thường có xu hướng đi lên và khí lạnh đi xuống, điều này có thể lợi dụng để tách đồng vị. H. Clusius và G. Dickel đã chứng minh quá trình này lần đầu tiên ở Đức năm 1938.[148] Nó được các nhà nghiên cứu thuộc Hải quân Hoa Kỳ phát triển, nhưng không phải là một trong những công nghệ ban đầu được chọn cho Dự án Manhattan. Lý do cho điều này chủ yếu là những nghi ngờ về tính khả thi về mặt kĩ thuật, nhưng mối kình địch giữa hai quân chủng Hải quân và Lục quân cũng đóng một vai trò.[149]

Nhà máy S-50 là tòa nhà tối màu nằm ở bên trái phía trên đằng sau nhà máy điện Oak Ridgee (có ống khói).

Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân tiếp túc nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Philip Abelson, nhưng ít có liên lạc với Dự án Manhattan cho tới tháng 4 năm 1944, khi Đại tá William S. Parsons, sĩ quan hải quân phụ trách phát triển vũ khí ở Los Alamos, đem tới cho Oppenheimer tin tức về những tiến bộ đáng khích lệ trong các thí nghiệm của Hải quân về khuếch tán nhiệt. Oppenheimer viết thư Groves đề xuất rằng thành phẩm từ một nhà máy khuếch tán nhiệt có thể làm vật liệu đầu vào cho Y-12. Groves lập ra một ủy ban bao gồm Warren K. Lewis, Eger Murphree và Richard Tolman để xem xét ý tưởng, và họ đánh giá rằng một nhà máy khuếch tán nhiệt tốn khoảng 3,5 triệu đô la có thể làm giàu 50 kg urani một tuần đạt tới 0,9% urani-235. Groves phê chuẩn việc xây dựng vào ngày 24 tháng 6 năm 1944.[150]

Groves ký hợp đồng với Công ty H. K. Ferguson ở Cleveland, Ohio để xây dựng nhà máy khuếch tán nhiệt, đặt tên là S-50. Các cố vấn của Groves, Karrl Cohen và W. I. Thompson từ hãng Esso,[151] ước tính rằng sẽ cần 6 tháng để xây dựng. Groves chỉ cho Ferguson đúng 4 tháng. Các kế hoạch đề xuất thiết lập 2142 cột khuếch tán cao 48 foot (15 m) sắp xếp thành 21 đường máng. Bên trong mỗi cột có ba ống đồng tâm. Hơi nước, nhận từ nhà máy điện gần K-25 với áp suất 100 pound một inch vuông (690 kPa) và nhiệt độ 545 °F (285 °C), tuôn xuống dưới từ ống nickel 1,25 inch (32 mm), trong khi nước ở nhiệt độ 155 °F (68 °C) chảy hướng lên thông qua ống sắt ngoài cùng. Sự phân tách đồng vị xảy ra trong khí urani hexafluoride giữa các ống nickel và ống đồng.[152]

Công trình bắt đầu ngày 9 tháng 7 năm 1944, và S-50 bắt đầu vận hành từng bước trong tháng 9 bởi thông qua một công ty con của Ferguson có tên là Fercleve. Nhà máy sản xuất chỉ 10,5 pound (4,8 kg) 0,852% urani-235 vào tháng 10. Sự rò rỉ hạn chế việc sản xuất và thậm chí khiến nó phải đóng cửa vài tháng sau đó, nhưng tháng 6 năm 1945 nó đã tạo ra được 12.730 pound (5.770 kg).[153] Tới tháng 4 năm 1945, tất cả các đường máng sản xuất được vận hành. Ban đầu sản phẩm đầu ra của S-50 được dùng làm đầu vào cho Y-12, nhưng từ tháng 3 năm 1945 tất cả ba quá trình làm giàu chạy nối tiếp nhau. S-50 trở thành tầng đầu tiên, làm giàu từ 0,71 tới 0,89%. Sau đó vật liệu này được đưa vào quá trình khuếch tán khí ở nhà máy K-25, tạo ra sản phẩm làm giàu khoảng 23%. Sau đó, nó được đưa tiếp vào Y-12,[154] đẩy hàm lượng làm giàu lên tới 89%, đủ cho vũ khí nguyên tử.[155]

Lượng urani sản phẩm cuối cùng được tích tụ và dần dần chuyển tới Los Alamos. Tới tháng 7 năm 1945, ở Alamos có khoảng 50 kg urani làm giàu tới 89%, trộn với một ít làm giàu 59% thành lượng urani độ giàu 85%, được sử dụng để chế tạo Little Boy[155]