המעבדה המטלורגית של אוניברסיטת שיקגו

המעבדה המטלורגית באוניברסיטת שיקגו הוקמה בפברואר 1942 כדי ללמוד ולהשתמש ביסוד הכימי החדש שהתגלה, הפלוטוניום. היא חקרה את הכימיה ואת המטלורגיה של הפלוטוניום, תכננה את הכורים הגרעיניים הראשונים בעולם שהפיקו את היסוד, ופיתחה תהליכים כימיים שבאמצעותם ניתן היה להפריד את הפלוטוניום מיסודות אחרים. באוגוסט 1942 הצליחו כימאי המעבדה לראשונה אי-פעם להפריד כימית ולייצר כמות זעירה של פלוטוניום. ב-2 בדצמבר 1942 הצליחה המעבדה לייצר תגובת שרשרת גרעינית נשלטת, שוב לראשונה אי-פעם, בכור שכונה "שיקגו פייל-1" (אנ')‏, שהוקם מתחת לטריבונות של אצטדיון הפוטבול הישן של האוניברסיטה. המעבדה המטלורגית הוקמה כחלק מהפרויקט המטלורגי, שנודע גם כ"פרויקט פייל" (Pile, ערמה) או "פרויקט X-10", בראשותו של פרופסור אוניברסיטת שיקגו ארתור קומפטון, חתן פרס נובל בפיזיקה לשנת 1927. הפרויקט המטלורגי היה חלק מפרויקט מנהטן, שבו פיתחו וייצרו בעלות הברית, בהובלת ארצות הברית, את פצצות האטום הראשונות במהלך מלחמת העולם השנייה. במעבדה עבדו, בין היתר, המדענים זוכי פרס נובל בפיזיקה: אנריקו פרמי, ג'יימס פרנק, יוג'ין ויגנר, וזוכה פרס נובל בכימיה: גלן סיבורג. בשיאה, ביולי 1944, עבדו במעבדה 2,008 עובדים. בתחילת 1944 נבנה בה הכור הראשון בעולם שהשתמש במים כבדים כממתן נייטרונים. הכור הפך קריטי במאי 1944, והופעל לראשונה בעוצמה מלאה ביולי 1944. המעבדה המטלורגית של שיקגו שימשה כגוף המחקר העיקרי שסיפק תמיכה מדעית במהלך המלחמה לאתר הגרעיני הענק באוק רידג' שבטנסי. כחלק מפרויקט מנהטן היא תכננה כורי פלוטוניום עבור אתר אוק רידג' (כור הגרפיט X-10), ועבור אתר הנפורד שבמדינת וושינגטון (כור הפלוטוניום B). אף שנעשה על הפלוטוניום גם מחקר מטלורגי, המעבדה נקראה "מטלורגית" בעיקר כשם כיסוי לעבודתה המרכזית בתחום הגרעין הצבאי. המעבדה חקרה את הכימיה של הפלוטוניום, ועבדה עם חברת דופונט על פיתוח תהליך פוספט-ביסמוט, שבאמצעותו בוצעה הפרדת הפלוטוניום מהאורניום. כשהתברר שכורים גרעיניים מערבים חומרים רדיואקטיביים בכמויות גדולות, החל חשש גדול בהיבטים בריאותיים ובטיחותיים, וחשיבות המחקר על ההשפעות הביולוגיות של קרינה גדלה. התגלה כי הפלוטוניום הרדיואקטיבי, כמו הרדיום, מצטבר בעצמות, מה שהופך אותו למסוכן במיוחד. ב-1 ביולי 1946 הפכה המעבדה המטלורגית למעבדה הלאומית הראשונה בארצות הברית, ונקראה "המעבדה הלאומית ארגון" (אנ'). גילוי הביקוע הגרעיני של אורניום על ידי הכימאים הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן בדצמבר 1938, וההסבר התאורטי שלו על ידי ליסה מייטנר ואוטו פריש זמן קצר לאחר מכן, פתח את האפשרות שנייטרונים הנוצרים בביקוע ייגרמו לתגובת שרשרת גרעינית מבוקרת ונשלטת. באוניברסיטת קולומביה, החלו אנריקו פרמי ולאו סילארד לחקור כיצד ניתן לבצע הלכה למעשה את תגובת השרשרת המבוקרת. באוגוסט 1939 ניסח סילארד מכתב חסוי לנשיא ארצות הברית, פרנקלין רוזוולט, בו תיאר את הפוטנציאל הצבאי הכביר הטמון בתגלית, התריע על אפשרות לפרויקט נשק גרעיני גרמני-נאצי, ושכנע את חברו הוותיק אלברט איינשטיין לחתום על המכתב לנשיא. זה הביא לתמיכת הנשיא והממשל הפדרלי במאמצי המחקר על ביקוע גרעיני. באפריל 1941, ביקשה "ועדת המחקר להגנה לאומית בנושא אורניום" (NDRC) מארתור קומפטון, פרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת שיקגו וזוכה פרס נובל, לדווח על תוכנית האורניום. נילס בוהר וג'ון וילר תיארו איזוטופים כבדים עם מספרים אטומיים מוזרים, כמו פלוטוניום-239, כחומרים הניתנים לביקוע גרעיני. אמיליו סגרה וגלן סיבורג ייצרו 28 מיקרוגרם של פלוטוניום בציקלוטרון 60 האינץ' של אוניברסיטת קליפורניה בברקלי במאי 1941. הם גילו שלפלוטוניום-239 יש חתך פעולה ללכידת נייטרונים תרמיים הגדול פי 1.7 מזה של אורניום-235. אף שניתן לייצר בציקלוטרון כמויות קטנות של פלוטוניום-239, לא ניתן להשתמש בו לייצור פלוטוניום בכמויות גדולות. קומפטון שוחח עם יוג'ין ויגנר מאוניברסיטת פרינסטון על האופן בו ניתן לייצר פלוטוניום בכור גרעיני, ועם הפיזיקאי רוברט סרבר מאוניברסיטת אילינוי על האופן שבו ניתן יהיה לבצע אחר כך הפרדה כימית של הפלוטוניום שנוצר בכור מהאורניום, שהיה חומר המוצא בתהליך. ב-20 בדצמבר, זמן קצר לאחר ההתקפה היפנית על פרל הארבור שהכניסה את ארצות הברית למלחמה, מונה קומפטון לראש פרויקט הפלוטוניום. מטרות הפרויקט היו לייצר כורים להמרת אורניום לפלוטוניום, למצוא דרכים להפרדה כימית של הפלוטוניום מהאורניום, ולתכנן ולבנות פצצת אטום המבוססת על פלוטוניום. אף שטרם נבנה כור מוצלח בגודל הנדרש, מדענים כבר פיתחו מספר עקרונות תכנון שונים אך מבטיחים. על קומפטון היה מוטל לבחור ולהחליט מהי הדרך שבה יש להמשיך. הוא הציע לוח זמנים שאפתני, שמטרתו להשיג תגובת שרשרת גרעינית מבוקרת עד ינואר 1943, ופצצה אטומית מוכנה לפעולה עד ינואר 1945. קומפטון הרגיש כי צוותי המדענים באוניברסיטאות קולומביה, פרינסטון, שיקגו וברקלי, יצרו כפילויות רבות ומצבים של שיתוף פעולה בלתי מספק, והחליט לרכז את המחקר במקום אחד. איש לא רצה לזוז ממקומו, וכולם טענו בעד האוניברסיטה שלהם. בינואר 1942, זמן קצר לאחר כניסת ארצות הברית למלחמת העולם השנייה, החליט קומפטון לרכז את המחקר והפיתוח במקום שבו עבד, באוניברסיטת שיקגו. הוא ידע שבה יש לו תמיכה רחבה ובלתי מסויגת של הנהלת האוניברסיטה, בעוד שלדוגמה אוניברסיטת קולומביה עסקה בתמיכה מדעית במאמצי העשרת האורניום, והיססה לקחת על עצמה פרויקט סודי נוסף. גורמים נוספים שתרמו להחלטה היו מיקומה המרכזי של שיקגו, וזמינותם של מדענים וטכנאים במערב התיכון שטרם נלקחו לעבודות מלחמה. בנוסף, הדיור בה היה זמין יותר, וכעיר היבשתית היא הייתה חשופה פחות להתקפת אויב. מוסד המחקר החדש הוקם לבסוף בפברואר 1942, ונקרא "המעבדה המטלורגית" או "מט לאבּ". בין 15 בספטמבר ל-15 בנובמבר 1942 הקימו קבוצות בראשות וולטר צין והרברט אנדרסון שישה עשר כורים ניסיוניים (שנקראו באותה עת "ערמות", באנגלית Piles). פרמי תכנן כור אורניום וגרפיט חדש שניתן להביאו לתגובת שרשרת גרעינית מבוקרת המקיימת את עצמה. בניית הכור, שכונה שיקגו פייל-1 (CP-1), החלה ב-16 בנובמבר 1942. העבודות בוצעו במשמרות של שתים-עשרה שעות, עם משמרת יום תחת צין ומשמרת לילה תחת אנדרסון. מבנה הכור היה בצורת אליפסה, גובהו 6.1 מטר, ורוחבו בציר האורך 7.6 מטר. הוא כלל 5.4 טונות מתכת אורניום, 45 טונות תחמוצת אורניום, ו-360 טונות גרפיט. עלות הבנייה הייתה כ-2.7 מיליון דולר (במחירי 1942). ב-2 בדצמבר 1942 הוא השיג תגובה גרעינית מבוקרת ראשונה. ב-12 בדצמבר 1942 הוגדלה תפוקת הכוח שלו ל-200 ואט, המספיקה להדליק נורה. בהיעדר מיגון מכל סוג שהוא, הקרינה מהכור היוותה סכנה לכל הסביבה. לאחר מכן, נמשכו הניסויים בעוצמה נמוכה מאוד של 0.5 ואט בלבד. פעולת הכור הראשון, שיקגו פייל-1, הופסקה ב-28 בפברואר 1943. הכור פורק, הועבר לארגון, פרוור של שיקגו, ונבנה מחדש כ'שיקגו פייל-2', תוך שימוש בחומרים ובחלקים מהכור שפורק. במקום המבנה המעוגל-אליפטי של הכור הראשון, הכור החדש נבנה בתכנון דמוי קובייה, שגובהה 7.6 מ', ובסיסה ריבוע שצלעו כ-9.1 מ'. הכור הוקף בקירות בטון בעובי של 1.5 מ', שנועדו להגן בפני זליגת קרינה רדיואקטיבית. גג הכור נבנה משילוב של עופרת בעובי 15 ס"מ ושל עץ בעובי 130 ס"מ. הכור השתמש בכמות גדולה יותר של אורניום - 47 טונות, ובהתאם, היה צורך בכמות גדולה הרבה יותר של גרפיט כחומר ממתן - 428 טונות. לא הותקנה מערכת קירור, מכיוון שהכור תוכנן להפיק רק קילוואטים ספורים. כבר במרץ 1943 הפך הכור שיקגו פייל-3 החדש לפעיל. כור שני, שכונה שיקגו פייל-3 (CP-3), נבנה ב"אתר ארגון" בתחילת 1944. היה זה הכור הראשון בעולם שהשתמש במים כבדים כחומר ממתן נייטרונים. מים כבדים לא היו זמינים בעת בניית CP-1, אך כעת סופקו בכמויות הדרושות הודות לפרויקט P-9 (אנ') שבוצע כחלק מפרויקט מנהטן. הכור היה בנוי ממכל אלומיניום גדול בקוטר של 1.8 מטרים, שהיה מלא במים כבדים, ושקל כ-5.9 טונות. הכיסוי היה מנוקב בחורים במרווחים קבועים, שדרכם 121 מוטות אורניום עטויים באלומיניום הוחדרו למים הכבדים. המכל הוקף ברפלקטור נייטרונים עשוי מגרפיט, והוקף במיגון עופרת ובטון. המיגון בחלקו העליון של הכור כלל שכבות של לבנים נשלפות ריבועיות (30 ס"מ), שנבנו משכבות של ברזל ומזוניט (אנ'). המים הכבדים קוררו באמצעות מחלף חום שקורר במים. Metallurgical Laboratory at the University of Chicago