קלוטרון

קלוטרון (באנגלית: Calutron) הוא מכשיר שתוכנן ושימש להעשרת אורניום במסגרת פרויקט מנהטן, שבו פותחו פצצות האטום הראשונות במהלך מלחמת העולם השנייה. הוא פותח על ידי הפיזיקאי האמריקאי ארנסט לורנס על בסיס המצאתו הקודמת, הציקלוטרון, ומיועד להפרדת איזוטופים. שמו (Calutron) נגזר מהמילים: "ציקלוטרון", "אוניברסיטה" ו"קליפורניה", כמחווה ללורנס, ולאוניברסיטת קליפורניה בה הומצא. קלוטרון שימש להעשרת אורניום בקנה מידה תעשייתי במפעל Y-12 באתר הגרעיני הגדול באוק רידג' שבטנסי. האורניום המועשר שיוצר במפעל שימש בפצצת האטום "ילד קטן" שהוטלה על הירושימה ב-6 באוגוסט 1945.

הקלוטרון הוא סוג של ספקטרומטר מסה, שבו חומר מיונן מואץ על ידי שדות חשמליים ומוסט ממסלולו באמצעות שדות מגנטיים. היונים מתנגשים לבסוף בלוח, ומייצרים זרם חשמלי מדיד. מכיוון שליונים של איזוטופים שונים של אותו חומר ישנו מטען חשמלי זהה, אך מסות שונות, האיזוטופים הכבדים יותר מוסטים פחות על ידי השדה המגנטי, מה שגורם לקרן החלקיקים להיפרד לכמה אלומות כתלות במסה, כשכל אלומה פוגעת בלוח במקום שונה. ניתן לחשב את מסת היונים על פי חוזק השדה המגנטי והמטען החשמלי של היונים.

במהלך מלחמת העולם השנייה פותחו באוק רידג' קלוטרונים על מנת להשתמש בעיקרון זה כדי להפיק אורניום-235, שהוא האיזוטופ הבקיע של אורניום, ברמת ניקיון גבוהה ככל שניתן. ההפרדה לצורך קבלת איזוטופ זה, התבצעה על ידי ניצול הבדל המסה (הקטן) בינו לבין האיזוטופים האחרים (הבלתי בקיעים) של אורניום.

הפרדה אלקטרומגנטית להעשרת אורניום נזנחה לאחר המלחמה לטובת שיטת ההפרדה בדיפוזיה גזית, שהייתה מסובכת יותר אך גם יעילה יותר. אף שמרבית הקלוטרונים של פרויקט מנהטן פורקו בסוף המלחמה, חלקם נותרו בשימוש כדי לייצר דגימות מועשרות של איזוטופים של יסודות שנכרו בטבע, למטרות צבאיות, מדעיות ורפואיות.

התחלת המחקר 

הידיעות על גילוי ביקוע גרעיני על ידי הכימאים הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן בשנת 1938, והסברם התאורטי של הפיזיקאים ליזה מייטנר ואוטו פריש לתופעה, הובאו לארצות הברית על ידי הפיזיקאי הדני נילס בוהר. בהתבסס על 'מודל טיפת הנוזל' שלו של גרעין האטום, הגיע בוהר למסקנה שהאיזוטופ אורניום-235, ולא האורניום-238 המצוי בשפע גדול יותר בטבע, הוא המתבקע בהפצצת נייטרונים תרמיים. כדי לאמת זאת, השתמש אלפרד נייר מאוניברסיטת מינסוטה בספקטרומטר מסה כדי ליצור כמות זעירה של אורניום-235 טהור באפריל 1940, ואז הצליחו ג'ון דנינג, אריסטיד פון גרוס ויוג'ין בות לאשר כי בוהר צדק. לאו סילארד וולטר צין אישרו במהרה כי יותר מנייטרון אחד משתחרר בכל ביקוע, מה שהביא למסקנה שנוצרת תגובת שרשרת גרעינית בתהליך, ומכאן הייתה הדרך קצרה להבנה שאפשר לנצל את התהליך ליצירת פצצה גרעינית רבת עוצמה. הגילוי הביא לחשש גדול שפצצת אטום גרמנית כבר נמצאת בשלבי פיתוח, במיוחד בקרב מדענים שהיו פליטים מגרמניה הנאצית וממדינות פשיסטיות עוינות אחרות.

באוניברסיטת ברמינגהאם בבריטניה הטיל הפיזיקאי האוסטרלי מארק אוליפנט  על שני פיזיקאים יהודיים, פליטים של המשטר הנאצי – אוטו פריש ורודולף פיירלס  – את המשימה לחקור את היתכנותה של פצצה אטומית. למרבה האירוניה, למרות פרסומם כפיזיקאים מהשורה הראשונה, מעמדם כזרים שהגיעו ממדינת אויב מנע את העסקתם בפרויקטים סודיים כמו פיתוח מכ"ם. מתזכיר פריש-פיירלס , שפרסמו במרץ 1940, עולה כי המסה הקריטית של אורניום-235 הייתה בסדר גודל של 10 ק"ג, שהיה משקל קטן מספיק כדי שמטוס הפצצה של אותה עת יישא אותו. ועדת MAUD הבריטית, שהוקמה כתוצאה ממסקנות תזכיר פריש-פיירלס ועסקה בנושאי גרעין, המליצה אז פה אחד להמשיך בפיתוח פצצת האטום. בריטניה הציעה להעניק לארצות הברית גישה למחקר המדעי שלה. ג'ון קוקרופט, חבר המשלחת הבריטית שיצאה לארצות הברית בספטמבר 1940 כדי לעודד שיתוף פעולה מדעי בין שתי המדינות, תיאר למדענים האמריקנים את ההתפתחויות המדעיות שהושגו בבריטניה. הוא גילה שפרויקט הגרעין האמריקני קטן יותר ופחות מתקדם מהפרויקט הבריטי.

גם אוליפנט טס לארצות הברית כדי לדבר עם המדענים האמריקאים. הוא נפגש עם ארנסט לורנס במעבדת הקרינה שלו באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. השניים הכירו עוד מלפני המלחמה והיו חברים. לורנס התרשם מספיק כדי להתחיל במחקר משלו על אורניום. 

אורניום-235 מהווה רק כ-0.72% מהאורניום הטבעי, ולכן גורם ההפרדה של תהליך העשרת אורניום צריך להיות גבוה מ-125 כדי לייצר מאורניום טבעי גוש של אורניום בקיע שמורכב לפחות מ-90% אורניום-235. ועדת MAUD המליצה לעשות זאת בתהליך של דיפוזיה גזית, אולם אוליפנט, שהיה מראשוני המפתחים והמשתמשים בהפרדה אלקטרומגנטית, העדיף אותה. זו גם הייתה הטכנולוגיה שבה השתמש אלפרד נייר.

העיקרון של ההפרדה האלקטרומגנטית הוא שיונים טעונים מוסטים בהשפעת שדה מגנטי, ויונים קלים מוסטים יותר מאשר יונים כבדים. הסיבה שוועדת MAUD הבריטית, ומאוחר יותר מקבילתה האמריקאית, ועדת S-1 של המשרד למחקר ופיתוח מדעי (OSRD), לא בחרו בהפרדה האלקטרומגנטית הייתה שעל אף שספקטרומטר המסה היה מסוגל להפריד איזוטופים, תפוקתו הייתה נמוכה מאוד. הסיבה לכך הייתה מה שמכונה מגבלת מטען מרחבי. ליונים חיוביים יש מטען חיובי, ולכן הם נוטים לדחות זה את זה, מה שגורם לאלומת היונים להתפזר. על פי ניסיונו בשליטה מדויקת על אלומות חלקיקים טעונים מעבודתו עם הציקלוטרון שהמציא, העריך לורנס שמולקולות האוויר בתא הוואקום ינטרלו את היונים, וייצרו קרן ממוקדת. אוליפנט שכנע את לורנס להחליף את ציקלוטרון 37 אינץ' (94 ס"מ) הוותיק שלו, בספקטרומטר מסה ענק להפרדת איזוטופים.

הציקלוטרון עם מגנט 37 אינץ' בברקלי פורק ב-24 בנובמבר 1941, והמגנט שלו שימש ליצירת הקלוטרון הראשון. בדצמבר קיבל לורנס מענק של 400,000 דולר למימון המשך הפיתוח מוועדת האורניום S-1. 

הקלוטרון היה בנוי מקופסה עם חריץ שהכילה מקור של יונים וגופי חימום חזקים. אורניום טטרכלורידי (UCl4) יונן בחום, ועבר דרך חריץ של 1.0×50.8 מ"מ לתא ואקום. המגנט החזק הסיט את קרן היונים ב-180 מעלות, אלומת היונים המועשרים נאספה בתא אחד, והאלומות האחרות נאספו בתא איסוף שני.

הקלוטרון הופעל לראשונה ב-2 בדצמבר 1941, ימים ספורים לפני שההתקפה היפנית על פרל הארבור הכניסה את ארצות הברית למלחמת העולם השנייה. בהפעלה זו התקבלה בתא האיסוף של הקלוטרון קרן אורניום של 5 מיקרו-אמפר. התחושה של לורנס לגבי השפעת מולקולות האוויר בתא הוואקום אוששה. הפעלה של הקלוטרון במשך תשע שעות ב-14 בינואר 1942, עם קרן של 50 מיקרו-אמפר, הפיקה 18 מיקרוגרם של אורניום ברמת העשרה של 25% אורניום-235, בערך פי עשרה מכפי שאלפרד נייר הפיק. שיפורים בטכניקה אפשרו לקלוטרון לייצר בפברואר קרן של 1,400 מיקרו-אמפר. בפברואר גם נשלחו 75 מיקרוגרם של דגימות מועשרות ל-30% לבריטים ולמעבדה המטלורגית בשיקגו.

גם חוקרים אחרים ניסו טכניקות העשרה אלקטרומגנטיות של אורניום. באוניברסיטת קורנל המציאה קבוצה בראשות לויד סמית, שכללה את ויליאם פרקינס ותאודור פורסטר, מפריד מגנטי רדיאלי. הם הופתעו מכך שאלומות האורניום היו מדויקות וממוקדות יותר מהצפוי, וכמו לורנס הסיקו כי זו תוצאה של ייצוב הקרן על ידי האוויר בתא הוואקום. בפברואר 1942 אוחד צוותם עם צוותו של לורנס בברקלי.

התפתחות המחקר 

אף שהוכח שהתהליך עובד, עדיין נדרש מאמץ ניכר לפני שניתן יהיה לבדוק אב-טיפוס בשטח. לורנס ריכז צוות של פיזיקאים כדי להתמודד עם הבעיות, כולל דייוויד בוהם, אדוארד קונדון, דונלד קוקסי, תאודור פורסטר, אירווינג לאנגמיור, קנת רוס מקנזי, פרנק אופנהיימר, רוברט אופנהיימר, ויליאם פרקינס, ברנרד פיטרס וג'וזף סלפיאן. בנובמבר 1943 הצטרפה אליהם קבוצת משימה בריטית בראשות אוליפנט, שכללה את הפיזיקאים האוסטרליים הארי מסי ואריק בורופ, ופיזיקאים בריטיים כמו ג'ואן קוראן ותומס אליבון.

ללורנס היה בברקלי ציקלוטרון גדול בבנייה, עם מגנט בגודל 184 אינץ' (470 ס"מ). הוא הוסב לקלוטרון שהופעל לראשונה ב-26 במאי 1942. כמו בגרסת ה-37 אינץ', גם קלוטרון זה נראה במבט מלמעלה כמו אות C ענקית. המפעיל ישב בקטע הפתוח, שממנו ניתן היה לווסת את הטמפרטורה, לכוונן את מיקום האלקטרודות, ואפילו להחליף רכיבים דרך מנעל אוויר במהלך פעולתו. הקלוטרון החדש עם המגנט החזק יותר לא שימש לייצור אורניום מועשר, אלא לניסויים עם מקורות יונים מרובים. היה לפיכך צורך ביותר תאי איסוף, וגם התפוקה גדלה באופן ניכר.

הבעיה הייתה שאלומות היונים התערבו ופגעו זו בזו ויצרו סדרה של תנודות שכונו "גיבוב" (hash). בספטמבר 1942 המציאו רוברט אופנהיימר וסטן פרנקל מעין טריז מגנטי, שמזער את ההפרעה והביא לפליטת אלומות טובות וממוקדות של יוני אורניום. היו אלה יריעות של ברזל ברוחב של כמטר אחד, שחוברו לראשו ולתחתיתו של מכל הוואקום. הטריזים השפיעו בכך שהגדילו מעט את השדה המגנטי בצורה שסייעה במיקוד קרן היונים. העבודה על שיפור הטריזים הללו נמשכה עד 1943.

בורופ ובוהם בחנו לימים את המאפיינים של פריקה חשמלית בשדה מגנטי, הידועה כיום בשם דיפוזיית בוהם. המחקרים שלהם על תכונות של פלזמות תחת השפעה של שדה מגנטי, שימשו לאחר המלחמה במחקרים על היתוך גרעיני מבוקר. בעיות טכניות אחרות היו רגילות יותר אך לא פחות חשובות. למרות שלאלומות היונים הייתה עוצמה נמוכה, הן עדיין יכלו, לאורך שעות פעולה רבות, להמיס את תאי האיסוף. לפיכך נוספה מערכת קירור מים לתאי האיסוף ולמכלים. פותחו גם נהלים לניקוי ה"זבל" שהתעבה בתוך מכל הוואקום. בעיה נוספת הייתה חסימה של החריצים על ידי לכלוך, מה שגרם לאלומות היונים להתפזר, או להיחסם ולהיפסק לחלוטין.

הכימאים נאלצו למצוא דרך לייצר כמויות של אורניום טטרכלורידי (UCl4) מתחמוצת אורניום (נייר השתמש באורניום ברומיד). בתחילה הם ייצרו אותו באמצעות מימן, כדי לחזר את האורניום הטריאוקסידי (UO3) לאורניום דו-חמצני (UO2), שאז הגיב באמצעות פחמן טטרכלורידי (CCl4) לייצור האורניום הטטרכלורידי המבוקש. צ'ארלס קראוס הציע שיטה טובה יותר לייצור אורניום טטרכלורידי בכמות גדולה, שהייתה כרוכה בתגובה של תחמוצת אורניום עם פחמן טטרכלורידי בתנאי חום ולחץ גבוהים. הריאקציה יצרה אורניום פנטכלורידי (UCl5) ופוסגן (COCl2). אורניום טטרכלורידי הוא חומר היגרוסקופי, כך שהעבודה איתו הייתה צריכה להתבצע דרך תיבת כפפות שהוחזקו יבשות באמצעות זרחן פנטאוקסידי (P4O10). נוכחותו של פוסגן, שהוא גז קטלני, חייבה את הכימאים ללבוש מסכות גז בעת הטיפול בו.

מתוך 19.6 מיליון דולר שהוצאו על מחקר ופיתוח של תהליך ההפרדה האלקטרומגנטית, 18 מיליון דולר (92 אחוז) הוצאו במעבדת הקרינה של לורנס בברקלי, ובאמצע 1944 עבדו בה כ-1,200 איש. עבודות מחקר נוספות נערכו באוניברסיטת בראון, באוניברסיטת ג'ונס הופקינס ובאוניברסיטת פרדו, וכן על ידי התאגיד טנסי איסטמן. במהלך 1943 עבר הדגש ממחקר לפיתוח, להנדסה ולהכשרת עובדים שיפעילו את מתקני הייצור באוק רידג' שבטנסי.

תכנון 
ניתן לייחס חלק גדול מההתקדמות הגדולה במחקר ובפיתוח של תהליך ההפרדה האלקטרומגנטית לסגנון מנהיגותו של לורנס. האופטימיות, החוצפה וההתלהבות שלו היו מדבקות. אנשי הצוות שלו עבדו שעות רבות, ומנהלני אוניברסיטת קליפורניה עקפו מכשולים ביורוקרטיים כדי לקדם את הפרויקט אף שכלל לא ידעו מה מטרתו. אנשי הממשל הפדרלי החלו לראות בפיתוח מהיר של פצצות אטום, כדי להספיק להשפיע על תוצאות מלחמת העולם הנוכחית, אפשרות אמיתית וברת ביצוע. וניבר בוש, ראש המשרד למחקר ופיתוח מדעי (OSRD), שפיקח מטעם הממשל על הפרויקט, ביקר בברקלי בפברואר 1942 ומצא את האווירה שם "מעוררת" ו"מרעננת". ב-9 במרץ 1942 הוא דיווח לנשיא פרנקלין רוזוולט, כי ייתכן שניתן לייצר מספיק חומר לפצצה כבר באמצע שנת 1943, על סמך הערכות חדשות של רוברט אופנהיימר שהמסה הקריטית הדרושה לפצצה היא כדור אורניום-235 טהור, שמשקלו בין 2 ל-2.5 קילוגרם.

הניסויים עם המגנט בגודל 184 אינץ' הובילו לבניית אב-טיפוס של קלוטרון שכונה XA. הוא כלל מגנט מלבני של שלושה סלילים, עם שדה אופקי שבו יכלו מכלי הקלוטרון לעמוד זה לצד זה, וארבעה תאי ואקום שבכל אחד מהם מקור כפול של חומר להפרדה. ב-25 ביוני 1942 התקיימה ישיבה של ועדת S-1, ובה נקבע שחברת סטון אנד ובסטר תהיה הקבלן הראשי של הפרויקט לענייני תכנון והנדסה. בישיבה גם עלתה הצעה להקים את מפעל ההפרדה האלקטרומגנטית באוק רידג' שבטנסי, ושם גם יוקמו מתקני פרויקט מנהטן האחרים, כך שירוכזו באתר אחד מטעמים כלכליים וביטחוניים. לורנס התנגד בגלל רצונו להקים את מפעל ההפרדה האלקטרומגנטית קרוב יותר לברקלי. אזור סכר שסטה בצפון קליפורניה נבחן כאתר אפשרי למפעל האלקטרומגנטי עד ספטמבר 1942, כשאז הסיר לורנס את התנגדותו.

הצבא קיבל אחריות על פרויקט מנהטן ב-17 בספטמבר 1942, ובריגדיר גנרל לסלי גרובס מונה למנהלו, אך רק ב-1 מאי 1943 קיבל הצבא לידיו רשמית את כל חוזי ההפעלה בין ה-OSRD הפדרלי ואוניברסיטת קליפורניה.

בין אוקטובר 1942 לנובמבר 1943, ביקר גרובס מדי חודש במעבדת הקרינה בברקלי. דו"חות הצביעו על כך שבהשוואה לתהליך האלטרנטיבי שמבוסס על דיפוזיה גזית, או אפילו בהשוואה לבניית כור גרעיני לייצור פלוטוניום, זמן הבנייה של מפעל הפרדה אלקטרומגנטית יהיה ארוך יותר, ידרוש חומרים נדירים ויקרים יותר, וידרוש יותר כוח אדם ויותר וחשמל להפעלתו. עלות קילוגרם חומר בקיע תהיה לפיכך גדולה יותר. מצד שני, בעוד שתהליכי ההפרדה האלטרנטיביים עדיין עמדו פני קשיים טכניים מרובים, התהליך האלקטומגנטי הוכח כעובד, וכן ניתן היה לבנותו בהדרגה ובשלבים כך שמיד יתחיל להפיק חומר בקיע.

מעבדת הקרינה בברקלי העבירה תכנונים ראשוניים של מפעל הייצור לקבלן הבנייה סטון אנד ובסטר לפני סוף השנה, אך עניין אחד חשוב נותר עדיין בסימן שאלה. אופנהיימר טען שהאורניום בפצצה חייב להיות ברמת ניקיון של 90% אורניום-235 טהור. אדוארד לופגרן ומרטין קמן חשבו שלא ניתן להשיג זאת ללא שלב שני של העשרה. שני השלבים נודעו כאלפא ובטא. במרץ 1943 אישר גרובס הקמה של חמישה מסלולי מרוץ אלפא ושני מסלולי בטא. בספטמבר הוא אישר ארבעה מסלולי מרוץ אלפא נוספים שנודעו כאלפא 2, ועוד שני מסלולי מרוץ בטא שיעבדו את התפוקות של מסלולי אלפא.

בנייה 

בניית מפעל ההפרדה האלקטרומגנטית באוק רידג', ששם הקוד שלו Y-12, החלה ב-18 בפברואר 1943. המפעל כלל בסופו של דבר תשעה מבנים לתהליכים העיקריים ו-200 מבנים נוספים שהשתרעו על שטח של כמעט 80 אקר (324 דונם). השטח בן 825 האקרים (1,356 דונם) בעמק נחל דוב (Bear Creek Valley), דרומית-מערבית לעיירה אוק רידג', נבחר מתוך תקווה ששרשרות הרכסים שסביבו יוכלו לספוג פיצוץ גדול או תאונה גרעינית. בעיות בתשתית הקרקע חייבו השקעה נוספת ביסודות (ביצוע פיצוצים וחפירות נוספות), כדי להבטיח יסודות חזקים מספיק למבנים ולציוד הכבד שבהם.

ציוד וחומרים מכל הסוגים הובאו לאתר הבנייה: 2,157 מטעני-קרון של ציוד חשמלי, 1,219 מטענים של ציוד כבד, 5,389 מטענים של קורות עץ, 1,407 מטענים של צנרת ואביזרים, 1,188 מטעני פלדה, 257 מטעני שסתומים ו-11 מטענים של אלקטרודות ריתוך. מסלולי הייצור דרשו 85,000 שפופרות ריק. במידת האפשר נעשה שימוש ברכיבי מדף, אך מרכיבים רבים מדי שנדרשו לבניית קלוטרונים היו ייחודיים ויקרים. שתי מחלקות רכש הוקמו, מחלקה אחת לציוד מתקנים בבוסטון, ליד סטון אנד ובסטר, והשנייה לחומרי בנייה באוק רידג'.

מהנדס מחוז מנהטן, קולונל ג'יימס מרשל, וסגנו, קנת ניקולס, גילו כי תהליך ההפרדה האלקטרומגנטית ידרוש כ-4,500 טון נחושת, שבשל חיוניותה לצורכי המלחמה הייתה במחסור חריף. עם זאת, הם הבינו שאפשר להחליפה במתכת כסף, ביחס של 11:10. ב-3 באוגוסט 1942 נפגש ניקולס עם תת-מזכיר האוצר, דניאל בל, וביקש העברה של מטילי הכסף שבמחסני מטבעת וסט פוינט. לימים נזכר ניקולס בשיחה:
"הוא הסביר את הנוהל להעברת הכסף ושאל "כמה אתה צריך?" עניתי "ששת אלפים טון". "כמה אונקיות זה?", הוא שאל. למעשה לא ידעתי כיצד להמיר טונות לאונקיות, וגם הוא לא. מעט חסר סבלנות, עניתי, "אני לא יודע כמה אונקיות אנחנו צריכים, אבל אני יודע שאני צריך שש אלפים טון - זה כמות מוגדרת. מה זה משנה איך אנו מבטאים את הכמות?". הוא ענה די בזעם, "בחור צעיר, אתה אולי חושב על כסף בטונות, אבל האוצר תמיד יחשוב על כסף באונקיות". "

בסופו של דבר נעשה שימוש בכ-13,300 טון כסף, שהיו שווים אז יותר ממיליארד דולר. ניקולס היה אחראי לספק דו"ח חשבונאי חודשי לאוצר על מצב הכסף (שהיה צריך להיות מוחזר בתום השימוש). מוטות הכסף במשקל 31 ק"ג כל אחד, נלקחו תחת שמירה למפעל מתכת בקרטרט שבניו ג'רזי, שם נוצקו למטילי כסף גליליים, ואז הועברו לחברת המכרות פלפס דודג' באליזבת שבניו ג'רזי, שם הוטבע הכסף לרצועות בעובי 15.9 מ"מ, רוחב 7.6 ס"מ ואורך 12 מטר. כ-258 מטעני-קרון הועברו בשמירה ברכבת לאליס-צ'למרס במילווקי שבוויסקונסין, שם הם לופפו לסלילים מגנטיים, ונחתמו באריזות מרותכות. לבסוף, הם הועברו בקרונות ללא שמירה לאתר הייצור שבאוק רידג'. באוק רידג' נקבעו נהלים מיוחדים לטיפול בכסף המתכתי. לדוגמה, כאשר נאלצו לקדוח בו חורים, הפעולה נעשתה על גבי נייר, ורסיסי הכסף שיצאו מהקדח נאספו בקפדנות. לאחר המלחמה, פורקו ונוקו כל המכונות, ולוחות הרצפה שמתחת למכונות הוסרו ונשרפו כדי לשחזר ולקבל בחזרה גם כמויות מזעריות של כסף. בסופו של דבר הוחזרה לאוצר כמעט כל כמות הכסף שנלקחה (אבד רק 1/3,600,000 מהכסף שהתקבל במקור).

מסלול XAX, שכלל שני מכלים ושלושה סלילים, היה מוכן באוגוסט 1943 לצורך הכשרת עובדי הפעלה. התגלו תקלות, אך לא נעשה מעקב קפדני אחר הטיפול בהן. בניית מסלול אלפא ראשון הושלמה ב-1 בנובמבר 1943. כשהמסלול נוסה בהפעלה ראשונה על פי לוח הזמנים בנובמבר, סטו מכלי הוואקום ממקומם בכ-8 ס"מ כתוצאה מכוח המגנטים, והיה צורך לחזקם למקומם טוב יותר. בעיה חמורה יותר הייתה כשהסלילים המגנטיים החלו לקצר. בדצמבר הורה גרובס לפתוח ולבדוק מגנט שנשבר, ונמצאו בתוכו שטחי חלודה. הלחות הייתה גם היא בעיה בפני עצמה, וכך גם ליפוף התיל שהיה צמוד מדי. גרובס הורה לפרק את המסלולים, ולשלוח את המגנטים בחזרה למפעל כדי לנקותם וללפפם מחדש. נקבעו תקנים נוקשים חדשים להכנת המגנטים ולניקיונם, כדי למנוע הישנות של הבעיות שהתגלו.

ההכשרה להפעלת מסלולי בטא נעשתה במסלול ההדרכה והפיתוח XBX, והחלה בנובמבר 1943. מסלול אלפא שני נכנס לפעולה בינואר 1944. מסלול בטא ראשון ומסלול האלפא הראשון, שחזר מתיקון, ומסלול האלפא השלישי נכנסו לפעולה במרץ 1944. מסלול אלפא רביעי החל לפעול באפריל 1944. בניין שלישי הכיל מסלול מרוצים חמישי, ששילב כמה שינויים והיה ידוע בשם אלפא 1.5, החל לפעול ב-3 ביוני 1944. העבודות בבנייני הכימיה של מסלולי אלפא ובטא החלו בפברואר והושלמו בספטמבר 1943. שאר המסלולים נבנו ממאי 1943 והחלו לפעול רק בספטמבר 1944.

מסלולי המרוץ מסוג אלפא 2 הוקמו במערך מלבני ולא אליפטי, אך עדיין נקראו מסלולי מרוצים. בסך הכול היו 864 קלוטרונים אלפא, מסודרים ב-9 מסלולי מרוץ, עם 96 קלוטרונים בכל מסלול. בכל מסלול בטא היו רק 36 קלוטרונים, מסודרים ב-8 מסלולי בטא, ובסך הכול היו 288 קלוטרונים בטא, אם כי בפועל רק 216 מהם הופעלו.

לצד מבני מפעלי הייצור והכימיה, נבנו גם משרדים, בתי מלאכה, מחסנים ומבנים אחרים. נבנו גם שני מפעלי אדים לחימום, ותחנת כוח לייצור חשמל.

הפעלה וייצור 

מסלולי מרוץ אלפא הכילו 96 תאי קלוטרונים. הקלוטרונים הוצבו זקופים והורכבו בזוגות זה מול זה, קלוטרון חיצוני ומולו קלוטרון פנימי. כדי למזער הפסדים מגנטיים, וכדי לחסוך בצריכת פלדה, היה המכלול מעוקל ויצר מסלול אליפטי של לולאה מגנטית סגורה באורך 37 מטר, ברוחב 23 מטר, בגובה 4.6 מטר, ובצורה המזכירה מסלול מרוץ סוסים או מסלולי מרוץ אתלטיקה – ומכאן הכינוי שניתן להם, "מסלולי מרוץ". שני המבנים של מסלולי אלפא 1, שמוספרו 9201-1 ו־9201-2, הכילו שני מסלולים כל אחד. מבנה 9201-3 הכיל מסלול אלפא 1.5 יחיד. מסלולי בטא היו קטנים יותר, הכילו רק 36 תאי קלוטרונים, צורתם הייתה מלבנית (ולא אליפטית), והם עוצבו כך כדי לייעל את התחזוקה שלהם במקום את תפוקתם. גם ארבעת מסלולי אלפא 2 עוצבו בצורה מלבנית. הם כללו שיפורים רבים, שהחשובים שבהם היו: ארבעה מקורות של חומר להפרדה (במקום שניים במסלולי אלפא 1), וכן מגנטים ומכלי ואקום משופרים.

התאגיד הכימי 'טנסי איסטמן' נשכר לנהל את Y-12. עובדים גויסו באזור נוקסוויל. העובדים המגויסים האופייניים היו דווקא נשים צעירות, בוגרות בית ספר תיכון מקומי. ההדרכה נערכה בתחילה באוניברסיטת טנסי, והתנסות מודרכת נערכה מאפריל עד ספטמבר 1943 בברקלי. ההכשרה בברקלי נעשתה על הקלוטרון XA ועל מודל מוקטן של מסלול המרוץ אלפא, אך כשקלוטרון XAX היה מוכן לפעולה, הפעילות כולה עברה לאוק רידג'. כשכל מסלולי אלפא 2 נכנסו גם הם לפעולה, נדרשו כ-2,500 מפעילים. באמצע 1944 הועסקו על ידי טנסי איסטמן במפעלי ההעשרה האלקטרומגנטיים כ-10,000 עובדים, ובאמצע 1945 קפץ מספרם ל-25,000. מסיבות ביטחוניות לא סופר כלל לעובדות מה מטרת הציוד שהן לומדות להפעיל.

הקלוטרון הופעל תחילה בידי מדענים מברקלי, כדי שיפתרו במקום בעיות ברגע שהן מתעוררות, וישיגו בכך שיעור תפוקה סביר. לאחר מכן הועברה ההפעלה לעובדות שגייסו טנסי איסטמן שעברו הכשרה. ניקולס השווה את נתוני התפוקה, ואמר ללורנס שהמפעילות הצעירות "הנבערות" הפיקו יותר מהדוקטורים המכובדים שלו. הם הסכימו לקיים תחרות ייצור, ולורנס הפסיד, דבר שנתן דחיפה מורלית למנהלי טנסי איסטמן לעובדותיו. הנשים הצעירות "הוכשרו כחיילים לא לשאול שאלות", ואילו "המדענים לא יכלו להימנע מחקירה ממושכת של כל תקלה זניחה, כמו אפילו תנודות קלות של חוגות".

במשך זמן מה סבלו הקלוטרונים משורה של קלקולים ותקלות בציוד, שהחריפו בשל המחסור בחלקי חילוף. התקווה שמסלולי אלפא 2 יהיו אמינים יותר דעכו במהרה, מכיוון שהם הושבתו כתוצאה מכשלים מבודדים. בעיות אלה נפתרו בהדרגה. משלוחים ראשונים של אורניום מועשר הועברו למעבדות לוס אלמוס, שהיו חלק מפרויקט מנהטן, במרץ 1944. הם יוצרו במסלולי אלפא, והגיעו לרמה של 13 עד 15 אחוז אורניום-235. הם אמנם לא יכלו לשמש בפצצה, אך ברמת העשרה כזאת הם נדרשו בדחיפות לניסויים באורניום מועשר. המשלוח האחרון של מוצר ממסלולי אלפא בוצע ב-11 במאי 1944. ב-7 ביוני 1944 העביר מפעל Y-12 משלוח ראשון של אורניום שיוצר במסלולי בטא, וכבר היה בדרגה גבוהה המתאימה לפצצה אטומית, מועשר לרמה של 89% אורניום-235.

הבעיה העיקרית הייתה אובדן של חלקים מחומר המקור ומהמוצר הסופי. רק חלק אחד מתוך 5,825 חלקים של חומר המקור הפך למוצר מוגמר. כ-90 אחוז התפזרו על בקבוקי ההזנה או על מכלי הוואקום. הבעיה הייתה חריפה במיוחד כשהוזן חומר מקור שהגיע כבר מועשר מקלוטרונים של מסלולי בטא. נעשו מאמצים כבירים לשחזר את חומר המקור, ולמרות הכול 17.4 אחוז ממוצרי אלפא ו-5.4 אחוז ממוצרי בטא אבדו. פרנק ספדינג ממעבדת איימס של פרויקט מנהטן ופיליפ בקסטר ממשלחת המדענים הבריטית נשלחו לייעץ על שיפורים בשיטות לשחזור אורניום. בנוסף, מותו של עובד שנחשף לפוסגן, הוביל גם לחיפוש תהליכי ייצור בטוחים יותר.

בפברואר 1945 החל להגיע למפעל Y-12 חומר מעט מועשר, עם 1.4 אחוז אורניום-235 ממפעל הדיפוזיה התרמית S-50. משלוחים אלו מ-S-50 הופסקו באפריל, ובמקום זאת, הועברו ממפעל S-50 למפעל הדיפוזיה הגזית K-25. במרץ 1945 החל Y-12 לקבל חומר המועשר ל-5 אחוז מ-K-25. תפוקתם של מפעלים אלו הייתה בצורת אורניום הקספלואורידי (UF6). חומר זה הומר לאורניום טריאוקסידי, שלאחר מכן נכנס לתהליך ההמרה הרגיל לאורניום טטרכלורידי. ב-5 באוגוסט 1945 החל מפעל K-25 לייצר אורניום המועשר ל-23 אחוז, שניתן היה להזינו ישירות למסלולי בטא במפעל Y-12. בספטמבר 1945 ייצרו הקלוטרונים 88 ק"ג של אורניום עם ממוצע העשרה של 84.5 אחוז. מסלולי בטא ייצרו עד סוף השנה 953 ק"ג אורניום שהועשר ל-95 אחוז. האורניום המועשר מהקלוטרונים של מפעל Y-12 היה עיקר החומר הבקיע של הפצצה הגרעינית "ילד קטן" שהוטלה על הירושימה ב-6 באוגוסט 1945.

עם תום המלחמה הוחלט לעצור את עבודתם של מסלולי אלפא החל מ-4 בספטמבר 1945, ופעילותם הופסקה כליל ב-22 בספטמבר. שני מסלולי הבטא האחרונים נכנסו לפעילות מלאה בנובמבר ובדצמבר 1945, ועיבדו אורניום שהועשר ב-K-25 ובמפעל הדיפוזיה הגזית החדש K-27. עד מאי 1946 העלו מחקרים כי מפעלי הדיפוזיה הגזית יוכלו להעשיר את האורניום באופן מלא בעצמם, בלי צורך בהעשרה מקדימה או אחרת במפעלי העשרה אחרים, ומבלי ליצור בטעות מסה קריטית מסוכנת. לאחר שניסוי הוכיח שכך אומנם המצב, הורה גרובס בדצמבר 1946 על סגירת כל מסלולי הבטא שנותרו במפעל Y-12, פרט למסלול אחד.

העלות הכוללת של פרויקט ההפרדה האלקטרומגנטית עד סיומו של פרויקט מנהטן ב-31 בדצמבר 1946, הייתה 673 מיליון דולר (שווי ערך ל-8.64 מיליארד דולר של שנת 2018).

לאחר המלחמה 
כוח העבודה ב-Y-12 צנח מהשיא של 22,482 עובדים במלחמה, ב-21 באוגוסט 1945, לפחות מ-1,700 בשנת 1949. כל הקלוטרונים הוסרו ופורקו, למעט מסלולי XAX ו-XBX בבניין 9731 שיועדו להכשרת עובדים, ומסלולי המרוץ בטא 3 בבניין 9204-3.

בשנת 1947, יוג'ין ויגנר, מנהל המעבדה הלאומית של אוק רידג' (ORNL), קיבל מהוועדה לאנרגיה אטומית רשות להשתמש בקלוטרונים בטא לייצור איזוטופים לניסויים בפיזיקה, והפיק מגוון רחב של איזוטופים. האיזוטופ ליתיום-6, שנוצר בקלוטרון בטא, שימש למחקר על נשק תרמו-גרעיני. איזוטופים רבים אחרים שימשו למטרות לא-צבאיות, מדעיות ורפואיות. מסלולי המרוץ בטא 3 הועברו ל-ORNL במרץ 1950. באמצע שנות ה-50 ייצרו קלוטרוני בטא את כל האיזוטופים היציבים הטבעיים, למעט אלה של אוסמיום, שיוצרו רק באפריל 1960. הקלוטרונים באוק רידג' המשיכו לייצר איזוטופים עד 1998, ונכון לשנת 2015 הם עדיין במצב המתנה.

גם ברית המועצות, בדומה לארצות הברית, ביצעה מחקר על מספר טכנולוגיות העשרה עבור פרויקט הגרעין הסובייטי. ניסוי בטכנולוגיה אלקטרומגנטית בוצע בשנת 1946 באמצעות קלוטרון שצויד במגנט שנלקח בתום המלחמה מגרמניה. בשנת 1946 נבחר אתר למפעל אלקטרומגנטי בעיר הסגורה הסובייטית לסנוי, שנקראה סברדלובסק-45. מפעל ניסויי, שכונה מפעל 418, הושלם בשנת 1948. פותח קלוטרון יעיל יותר שבו אלומות החלקיקים הוטו ב-225 מעלות במקום ב-180 מעלות כבקלוטרון האמריקאי. הוא שימש להשלמת תהליך העשרת האורניום לאחר שהתגלו קשיים טכניים בהעשרה שבוצעה בטכנולוגיה של דיפוזיה גזית. אורניום מועשר לכ-40 אחוז אורניום-235 הובא לסברדלובסק להעשרה סופית עד רמה של 92–98 אחוז. לאחר שנפתרו הבעיות בתהליך הדיפוזיה הגזית בשנת 1950, הוחלט שלא להמשיך במפעל האלקטרומגנטי בהיקף מלא, אך נכון ל-2009 הוא עדיין נותר מבצעי. בשנת 1969 נבנה בארזאמאס-16 שבמחוז ניז'ני נובגורוד, קלוטרון מחקר המכונה S-2, לצורך הפרדה ביעילות גבוהה של איזוטופים של יסודות כבדים כדוגמת פלוטוניום.

בבריטניה נבנה בשנת 1945, במסגרת בפרויקט הגרעין הבריטי, קלוטרון 180 מעלות, הדומה בתכנונו לקלוטרון בטא האמריקני. הוא נבנה במפעל המחקר לאנרגיה אטומית בהארוול שבאוקספורדשייר. בגלל הצלחתו של מפעל הדיפוזיה הגזית בקאפנהרסט, החליטה בריטניה שלא להשקיע בשיטת ההפרדה האלקטרומגנטית, והקלוטרון שנבנה שימש להפרדת איזוטופים לצורכי מחקר. התכנון של 180 מעלות לא היה אידיאלי למטרה זו, ולכן נבנה בהארוול קלוטרון 90 מעלות, בהשראת קלוטרונים דומים שנבנו בצרפת, שכונה HERMES. 

בצרפת נבנו הקלוטרונים SIDONIE ו-PARIS במעבדת רנה ברנאס מאוניברסיטת פריז IX שבאורסיי, ו-PARSIFAL שנבנה במעבדת המחקר הצבאית של הוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ולאנרגיות חלופיות (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives) שבברוייר-לה-שאטל. גם ישראל ויפן בנו מספר קלוטרונים מחקריים, כולל המפרידים SOLIS ו-MEIRA שנבנו במרכז למחקר גרעיני שׂורק בישראל. גם במרכז המחקר האירופי CERN נבנה בשנת 1967 מפריד האיזוטופים ISOLDE. במסגרת פרויקט הגרעין הסיני נבנו בבייג'ינג ארבעה קלוטרונים למחקר ולייצור, בתכנון זהה לאלו שנבנו בברית המועצות בתחילת שנות השישים. בהודו, במכון סאה לפיזיקה גרעינית שבבידאן נגר, נבנה קלוטרון ששימש לייצור פלוטוניום לניסוי הגרעיני הראשון של הודו שהתבצע ב-18 במאי 1974. 

לאחר מלחמת המפרץ ב-1991-1990, קבעה ועדת האו"ם לפירוק הנשק העיראקי (UNSCOM, אונסקו"ם), שעיראק עסקה בפיתוח קלוטרון להעשרת האורניום. עיראק העדיפה את השיטה האלקטרומגנטית על פני שיטות העשרה מודרניות, כלכליות ויעילות יותר, מכיוון שהיה לה קל יותר לבנות קלוטרון, המרכיבים והחומרים הדרושים לבנייתו לא היו כפופים לבקרת ייצוא, והבנייה בשיטה זו נחשבה על ידה כפשוטה יותר ועם פחות אתגרים מדעיים וטכניים. בזמן חשיפת התוכנית, העריכו כי עיראק רחוקה שנתיים או שלוש מייצור כמות מספיקה של חומר לנשק גרעיני. הפרויקט נהרס במלחמת המפרץ. כתוצאה מכך, הוסיף ארגון המדינות המספקות מוצרים גרעיניים את ציוד ההפרדה האלקטרומגנטית להנחיותיו לגבי מגבלות העברת ציוד, חומר וטכנולוגיה הקשורים לשימוש גרעיני.

קישורים חיצוניים 

Electromagnetic Separation (Calutron) and Thermal Diffusion, מרכז הדרכה טכנית USNRC 
ארנסט לורנס, האיש, המעבדה שלו, המורשת שלו, לין יאריס, אוקטובר 2001

הערות שוליים 

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
פרויקט מנהטן
תוכנית הגרעין האמריקאית
אוניברסיטת קליפורניה בברקלי
ארצות הברית במלחמת העולם השנייה
אורניום
הטלת פצצות האטום על הירושימה ונגסאקי