埃姆斯计划

埃姆斯计划（Ames Project）是第二次世界大战期间美国曼哈顿计划的重要组成部分，旨在研发和制造首批原子弹。该计划由爱荷华州立学院（位于爱荷华州埃姆斯）的弗兰克·斯佩丁牵头设立。起初，它仅是芝加哥大学冶金实验室的一个分支机构，专门开展化学与冶金学的研究，随后逐渐演变为一个独立运作的项目。该计划的主要成就是研发出了“埃姆斯工艺”——这是一种制备高纯度纯金属铀的方法，为曼哈顿计划中的核反应堆与原子弹提供了必不可少的原料。

在1942年至1945年间，该计划累计生产了超过1000ST的金属铀。此外，研究团队还成功开发出了制备和铸造钍、铈以及铍等关键金属的工艺。1945年10月，为表彰其在科研与生产上的贡献，爱荷华州立学院荣获了陆海军“E”级卓越生产奖。这在历史上较为罕见，因为该殊荣通常仅授予工业企业。1947年，埃姆斯计划正式改组为埃姆斯实验室，成为隶属于美国原子能委员会的国家实验室之一。

## 背景

1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子；随后在1938年，德国化学家奥托·哈恩与弗里茨·施特拉斯曼发现了核裂变现象，不久后莉泽·迈特纳与奥托·弗里施对此进行了理论解释并予以正式命名。这些科学发现，开启了利用铀进行可控核链式反应的可能性。

1941年12月20日，即日本偷袭珍珠港并促使美国全面卷入第二次世界大战后不久，诺贝尔奖得主、物理学家阿瑟·康普顿受命负责掌管钚项目。该项目的最终目标是：建造核反应堆以将铀转化为钚，探索通过化学途径将钚从铀中分离出来的方法，并最终设计制造出原子弹。这便是后来曼哈顿计划的雏形。尽管当时还没有任何一座反应堆成功建成，但科学家们已经构想出了几种不同的设计方案。

1942年2月，康普顿在芝加哥大学建立了该项目的核心机构——冶金实验室。其首要任务是建造核反应堆，以生产制造原子弹所需的钚。作为一名物理学家，康普顿在筹建实验室化学部时，向赫伯特·麦科伊寻求了专业建议。麦科伊是同位素和放射性元素领域的专家，他推荐了位于爱荷华州埃姆斯的爱荷华州立学院的弗兰克·斯佩丁。斯佩丁是稀土元素方面的专家，而稀土元素在化学性质上与包含铀和钚的锕系元素极为相似。康普顿随即邀请斯佩丁出任冶金实验室化学部的负责人。

由于芝加哥大学的研究空间不足，斯佩丁提议在爱荷华州立学院设立化学部的分支机构，因为那里有愿意协助他的学术同僚和完善的设施。最终双方达成协议：斯佩丁将每周的时间一分为二，一半在埃姆斯工作，另一半则在芝加哥。原本的计划是，一旦芝加哥腾出足够的空间，埃姆斯的科研人员就会全数搬迁过去。但这并未发生，埃姆斯计划反而凭借其取得的研究成果，最终演变成了曼哈顿计划中一个独立运作的国家级实验室。

## 组织架构

项目伊始，斯佩丁首先招募了两位在爱荷华州立学院的科学家同僚担任他的副手：光谱化学与冶金学专家哈利·A·威廉姆斯出任埃姆斯计划冶金部负责人；伊拉尔·B·约翰斯（Iral B. Johns）则担任钚部负责人。在他们的领导下，共设立了八位部门主管。随着研究的深入，埃姆斯计划的规模不断扩张，核心科研人员很快超过了90名，最终的工作人员总数更是突破了500人。

管理层通常会在每周日早晨召开例会，总结上周工作并规划下周目标。这一会议传统后来被大家戏称为“Speddinars”（斯佩丁研讨会）。起初，斯佩丁在每次开完会后就需前往芝加哥。直到1943年初，詹姆斯·弗兰克接替他成为芝加哥冶金实验室化学部的主任，斯佩丁这才得以将更多精力倾注在埃姆斯的工作上，但他依然保留了冶金实验室副主任的头衔。

期间，斯佩丁得到了爱荷华州立学院院长查尔斯·E·弗莱利的支持。虽然由于安全审查尚未结束，斯佩丁起初无法向院长透露研究的具体性质，但这并未影响院长的信任。安全审查结束后，弗莱利立刻抽调了理学院院长哈罗德·V·加斯基尔（Harold V. Gaskill）来担任埃姆斯计划的行政主管。美国陆军工兵部队于1942年6月接手了曼哈顿计划，并于同年年底正式接管了埃姆斯计划的全面运作。

## 铀

### 埃姆斯工艺

团队面临的首要任务，是为恩里科·费米提议建造的核反应堆寻找足够的金属铀。铀矿石的获取在当时并不困难——在斯塔滕岛的里士满港的一个仓库里，存放着约1200ST产自比属刚果的高品位矿石。此外，在加拿大西北地区大熊湖畔的镭港，埃尔多拉多矿每年能开采约300ST的矿石。埃尔多拉多公司还在安大略省霍普港经营着一家精炼厂，专门用于提炼加拿大和比利时的矿石。1942年，曼哈顿计划预计的铀总需求量为200ST，而康普顿提议的核反应堆仅需45ST即可运转。

主要困难在于提纯。氧化铀中天然混杂的杂质会作为中子毒物大量吸收中子，从而直接阻断核链式反应。由于这些杂质的干扰，1942年以前发表的科学文献普遍将铀的熔点错误地记录在1700C左右，而纯金属铀的实际熔点仅为1132C。金属氢化物公司（Metal Hydrides Incorporated）的彼得·P·亚历山大（Peter P. Alexander）曾在1938年首次指出，铀的熔点“其实低至1100C甚至更低”。

在实验室环境下提纯氧化铀最有效的方法，是利用硝酸铀酰极易溶于乙醚的化学特性。然而，要将这种工艺放大到工业化生产层面却面临极大风险；乙醚极具挥发性和爆炸性，任何大量使用乙醚的工厂都面临着严重的爆炸与火灾隐患。为了克服这一瓶颈，康普顿和斯佩丁找到了位于密苏里州圣路易斯的马林克罗特公司，该公司在安全处理乙醚方面具备经验。1942年4月17日，斯佩丁与马林克罗特的化学工程师亨利·V·法尔（Henry V. Farr）和约翰·R·鲁霍夫（John R. Ruhoff）进行了工艺对接。几个月内，他们便生产出了60吨高纯度的氧化铀。

当时，市面上唯一能买到的金属铀是由西屋电气制造公司利用光化学工艺生产的。他们在新泽西州布卢姆菲尔德工厂屋顶的大缸中，将氧化铀与氟化钾进行反应。但这种工艺效率较低，生产出的金属锭只有25美分硬币大小，售价高达每克20美元。冶金实验室负责铀加工的组长爱德华·克鲁茨在实验中急需一个橙子大小的金属铀球。如果按照西屋公司的产能和工艺，制造这样一个金属球需要耗费20万美元并耗时一年。与此同时，亚历山大开发的一种氢化物（或称“hydramet”）工艺，利用氢化钙作为还原剂，成功将铀矿石还原成了金属。位于马萨诸塞州贝弗利的金属氢化物工厂通过这种方法勉强生产出了几磅金属铀。然而，这些用作还原剂的氢化钙中含有过量的硼（一种极强的中子毒物），导致制成的金属铀无法在反应堆中引发链式反应。直到几个月后，国家标准局的克莱门特·J·罗登（Clement J. Rodden）联合联合碳化物公司，才摸索出了生产高纯度氢化钙的方法。

在等待的过程中，斯佩丁和威廉姆斯开始寻找制造金属铀的其他工艺。当时的铀通常呈粉末状，极易在空气中自燃。虽然可以通过压制、烧结并将其储存在密闭罐子中，但要想实现其实用价值，就必须突破熔炼和铸造的技术难关。铸造面临着技术挑战：铀熔液会腐蚀由铍、氧化镁乃至石墨制成的传统坩埚。团队曾尝试在氢气环境中用碳来还原铀，仅取得有限的成功；随后他们继续尝试了铝、镁和钙作为还原剂，均以失败告终。直到次月，埃姆斯的科研团队获得了一个重要发现：只要控制得当，液态的铀其实是可以浇铸在石墨容器中的。尽管学界已知石墨会与铀发生反应，但这在实际操作中是可控的，因为碳化铀只会在两者接触的极薄界面处形成，并不影响主体金属的纯度。

此时，曼哈顿计划伯克利辐射实验室的一位研究员带了一块两英寸见方的四氟化铀立方体（这是在电磁卡鲁特机中使用的常规铀化合物）造访冶金实验室，讨论在反应堆中使用它来替代氧化铀的可行性。斯佩丁意识到，如果能从这种盐类中直接提炼出金属铀，就能绕开氧气的干扰。他将这块四氟化铀带回埃姆斯，交由威廉姆斯进行研究。这项任务由助手韦恩·H·凯勒（Wayne H. Keller）负责。凯勒翻阅文献，重新研究了一种最初由新罕布什尔大学的J.C.高金斯（J. C. Goggins）等人在1926年开发的工艺。该工艺将四氯化铀与金属钙混合，放入一个内衬氧化钙的密闭钢制压力容器（研究人员俗称其为“炸弹”）中进行高温加热（早在1841年，欧仁-梅尔基奥尔·佩利戈正是通过用钾还原四氯化铀首次制备出了纯铀）。1942年8月3日，凯勒成功复现了高金斯的实验，在“炸弹”中提炼出了一个重达20克、纯度极高的金属铀块。这一被称为“埃姆斯工艺”的方法随即被扩大规模。到了同年9月，团队已经开始使用内衬石灰防腐蚀、长15英寸、直径4英寸的重型钢管来充当“炸弹”，每次反应可容纳多达3公斤的四氟化铀。随后，工程师C.F.格雷（C. F. Gray）将这些提炼出的铀锭进行二次浇铸，成功打造出了一根重达4980克、尺寸为5乘2英寸的纯铀钢坯。

### 生产

1942年9月24日，威廉姆斯将这块铀坯带到了芝加哥冶金实验室，并将其展示给康普顿。康普顿对此感到惊讶，他起初怀疑这块金属内部是空的。斯佩丁当即命人将铀坯从中切开，坚实的截面打消了疑虑。几天后，冶金实验室主任理查德·L·多安（Richard L. Doan）前往埃姆斯，草拟了一份科学研究与开发办公室（OSRD）的合同，要求埃姆斯计划立即作为试点工厂，每天生产100磅纯金属铀，直到这套工艺最终移交给工业企业。该 OSRD 合同随后在1942年11月被一份由曼哈顿计划军方直接下达的正式合同所取代。最初的合同预算为50,000美元。截至1945年12月31日，埃姆斯计划实际获得的总合同面值已升至690.7万美元；不过实际完成所有生产任务的花费仅为400万美元。

为了寻找合适的生产场地，威廉姆斯在校园东南边缘选定了一栋木制建筑。这栋楼在1926年前曾是家政系的教学楼，随后被改作女子体育馆。1941年新体育馆落成后，它到1942年时已基本作为仓库使用。接管这栋建筑后，军方下令将木地板全部更换为厚实的混凝土防爆地板。该建筑被正式命名为“物理化学附楼”（Physical Chemistry Annex）；由于附近名叫爱荷华州安克尼的小镇建有一个大型军械库，当地人便戏称这栋楼为“小安克尼”（Little Ankeny）。在寻找机床时，威廉姆斯在埃姆斯当地发现了一家挂牌转让的机械加工厂。店主比尔·梅特兰（Bill Maitland）过去一直靠制造园艺工具为生，但在战时的金属物资配给制下失去了原料来源。威廉姆斯随即以8,000美元买下了这家工厂的全部设备。与此同时，芝加哥冶金实验室也为他们调拨了两台大型40千瓦的还原炉。

埃姆斯计划的持续生产为芝加哥冶金实验室提供了两吨的纯金属铀，直接促成了世界上第一座核反应堆——芝加哥1号堆的建成。1942年12月2日，该反应堆成功达到了人类历史上的首次临界状态。在此之后，埃姆斯计划提供了位于田纳西州橡树岭克林顿工程城的X-10石墨反应堆所需金属铀的90%以上。在工艺不断优化的前提下，金属铀的产量从1942年12月的每天100磅，提升至1943年1月中旬的每天550磅。

为了适应工业化生产，工艺进行了核心改良：用金属镁全面替代了最初使用的钙。因为镁成本更为低廉、更容易大规模获取，且提纯后的纯度更高。副作用是，用镁启动还原反应比用钙更困难，需要将加热温度提至更高。作为主要原料的四氟化铀因其颜色，在业内被称为“绿盐”。这些材料分别由马林克罗特、杜邦和哈肖化学（Harshaw Chemical）等公司供应；材料运抵埃姆斯后，会和镁一起被送入粉碎机混合。标准的反应“炸弹”通常是直径6英寸、长36英寸的厚壁管道；如果军方需要重达125磅的大型金属锭，则会使用直径10英寸、长42英寸的管道。混合物被放入炉中加热到650C，持续40至60分钟后会引发剧烈的自发反应，内部温度瞬间升至1500to。工作人员只能躲在防爆墙后，通过麦克风侦听混合物被点燃的声音，一旦确认反应结束，便迅速将处于红热状态的炸弹移至喷水室进行急速冷却。开盖后可以得到一块金属铀锭以及伴生的氟化镁炉渣。待炸弹冷却后，工人会用气动锤敲击，直到铀锭和炉渣分离。随后，这些铀锭会被打上钢印标记，送往铸造工序。

后期的真空铸造工序不仅能将铀重新塑形成标准的反应堆钢坯，还能去除残余的挥发性杂质。工人将粗糙的铀锭放入高纯度石墨坩埚中加热熔化，随后倒入模具。制成的成品铀棒直径在1.5and之间，长20to。这些铀棒会被逐一打上编号，严密封装入木箱，发往芝加哥冶金实验室，随后再转运到橡树岭或汉福德区。到了1943年7月，埃姆斯计划每月的纯铀产量达到了130,000磅。随着规模效应的显现，每磅金属铀的生产成本从最初的1,000美元，大幅下降至大约只需1美元。从1943年7月起，马林克罗特、Electromet 和杜邦公司开始接收并利用埃姆斯工艺进行工业化炼铀。随着产能的全面转移，完成了初步生产任务的埃姆斯计划在1945年初逐步关闭了自身的铀生产线。

停产后，埃姆斯计划启动了一项从生产废料中回收金属铀的任务。为此，他们在1944年新建了一栋名为“物理化学附楼2号”的建筑。从各地回收上来的废旧铀车削碎屑经过清洗、烘干，并使用磁铁吸除混入的铁屑杂质后，被液压机压制成致密的煤球状进行二次重熔。直到1945年12月，这项回收技术成熟并移交给金属氢化物公司及汉福德区的专业回收厂时，埃姆斯计划已经成功从废料中回收了超过60万磅的金属铀。综合统计，埃姆斯计划在战时累计生产了超过1000ST的金属铀。随着战争结束，所有的本土生产操作于1945年8月5日终止，金属氢化物公司和杜邦公司也同步停止了战时生产线，这使得马林克罗特公司成为了战后初期全美唯一的金属铀供应商。

## 其他金属

自1942年起，在保障铀生产操作的同时，埃姆斯计划的研究人员在分离和纯化钍、铍及稀土金属（如铈）方面，也开展了一系列冶金研究。

### 钍

1942年，核物理学家格伦·T·西博格（Glenn T. Seaborg）证实，当钍受到中子轰击时，它可以在反应堆中转化为易裂变的同位素——铀-233。若研究能证实铀-233比钚更容易从天然铀中分离提取，这将为制造原子弹提供一条潜在路径。不过，这条技术路线当时并未被军方继续跟进，因为要大规模生产铀-233，意味着必须重新设计汉福德区刚刚建成的反应堆集群。到了1944年4月，冶金实验室的托芬·R·罗格尼斯（Thorfin R. Rogness）计算得出：一个装填了钍的特殊核反应堆，不仅能够生产出足够维持自身裂变反应的铀-233，甚至在不添加其他核燃料的情况下就能自我维持。这一结论在物理学界引起了广泛关注，因为当时人们普遍担忧天然铀资源可能枯竭，而钍的全球地质储藏量至少是铀的十倍。

在1943年7月和8月期间，埃姆斯计划曾尝试直接使用“埃姆斯工艺”来制造金属钍。但由于钍的熔点远高于铀，传统的炸弹还原法无法将其熔化结块。研究持续到1944年，科研人员找到了解决方法：只要在反应混合物中添加氯化锌作为催化剂，他们就能在稍低的温度下制造出一种锌钍合金。随后，只需将这种合金在石墨坩埚中加热到1300C，低熔点的锌就会挥发分离出来，剩下的便是高纯度的海绵钍。这些钍被放入耐温的氧化铍坩埚中，铸造成重达150磅的大型铸锭。截至1945年12月31日，该计划成功生产了约4,500磅的金属钍。战前由于提纯困难，钍的价格高达每克3美元；但在战争结束时，埃姆斯计划的工艺已将其生产成本降至每克不到5美分。

### 铍

曼哈顿计划将轻质的铍金属用作原子弹核心的中子反射层，同时它也是引爆原子弹的调制中子源中的关键组件。在当时的美国，仅有一家公司具备进行商业化生产的实力——位于俄亥俄州洛兰的 Brush Beryllium 公司。为了保障军方供应，埃姆斯计划于1943年12月开始着手研发全新的生产工艺。他们起初尝试利用金属镁和硫磺作为助燃剂，在重型压力容器中还原氟化铍。处理铍面临的主要挑战是其生化毒性。为了避免产生毒性铍粉尘的吸入风险，必须使用全封闭的炸弹容器进行操作。这项工艺在理论上虽然可行，但硫化镁反应产生的极高温度和高压意味着反应炉存在安全隐患。随后，团队研发出了一种替代方案：利用金属钙和氯化铅在炸弹中处理氟化铍，并在最终阶段进行真空铸造。直到二战结束时，这项相关研究仍在进行中。

### 铈

1944年中期，埃姆斯计划接到了另一项紧急任务：生产高纯度铈。当时，伯克利实验室和洛斯阿拉莫斯实验室急需这批材料来合成硫化铈，而硫化铈是制造用来铸造钚金属的特殊耐腐蚀坩埚的关键材料。这一次，团队再次采用了“炸弹还原法”，利用钙和碘作为催化剂来还原无水的氯化铈。由于氯化铈极易吸水，为了使用氯化氢气体对其进行脱水干燥，他们建造了一个恒温恒湿的“干燥室”。反应生成的粗金属中混有微量杂质，因此必须进行二次重熔提纯。工人们将其浇铸成直径0.75英寸、长4英寸的圆柱形标准棒。由于铈的化学性质活泼，易在高温下被氧化，重熔工序必须在真空中进行，并使用内衬氧化钙或氧化镁的耐火坩埚。第一批高品质的金属铈在1944年8月送达洛斯阿拉莫斯。截至1945年8月停产，埃姆斯实验室共为曼哈顿计划生产了437磅纯度超过99%的金属铈。

## 合金

战前由于金属铀稀缺，学界对其冶金特性知之甚少；但随着铀被大规模应用于汉福德的反应堆，曼哈顿计划的科学家们需要探明其物理及化学特性。当时的初代反应堆均使用水来冷却，人们希望研发出一种既具有高导热性、又能抵抗高温水腐蚀的铀合金。埃姆斯计划为此生产并测试了碳化铀，得出的初步结论是它有潜力作为替代纯金属铀的反应堆燃料。与此同时，铋具有极低的中子俘获截面，因此埃姆斯计划制造并测试了一系列不同配比的铀铋合金。

当时还有一项提议认为，可以通过在外层紧密包裹铜套管，来保护反应堆中的铀燃料棒免受水腐蚀。为此，埃姆斯计划对铀铜合金进行了研究，以探讨这两种金属在高温接触面可能发生的渗透反应。但在实际应用中，军方最终选择了用铝罐来封装铀。因此，埃姆斯团队迅速调整方向，对铀铝合金，以及用于焊接这些铝罐的含锡合金进行了腐蚀测试。同时接受测试的，还有铀与铍、钙、钴、镁、锰和钍等金属的合金组合。为了从辐射过的废铀中分离出钚，科研人员曾试图利用钚在高温熔融状态下与金、银的冶金亲和力，进行一种成本高昂的液态金属提取法测试。不过，曼哈顿计划最终选择了化学分离途径——磷酸铋工艺。

除了铀合金，埃姆斯计划还对钍进行了合金化研究。他们系统地将钍与铋、碳、铬、铁、锰、钼、镍、氧、锡、钨及铀进行各种配比的熔炼，并记录数据。此外，他们也研究了铍与铋、铅、钍、铀以及锌的合金相图特性，为美国核工业提供了底层材料数据。

## 化学

研究铀的化学特性是埃姆斯计划的核心工作之一。科研团队研究了各种形态的氧化铀和氢化铀在特定条件下的物理与化学性质。奥本海默的团队曾考虑过在原子弹的弹芯中使用氢化铀来替代金属铀。但随后的理论推演和实验发现，该方案会导致链式反应效率低下，最终这一想法被搁置。在基础研究之外，埃姆斯团队还开发出了一套化学回收工艺，成功从橡树岭电磁同位素分离过程残留的四氟化铀残渣，以及气体扩散过程报废的六氟化铀气体中，回收了贫铀金属。在将该工艺移交给驻扎在橡树岭的特种合金与材料实验室进行工业部署之前，埃姆斯在校园里建立了一个能够每天稳定生产公斤级铀金属的中试验证工厂。

在反应堆运转之前，钚仅仅以粒子加速器打出的微观量级存在。从1943年开始，随着汉福德反应堆的运转，微量的钚样本开始被送达埃姆斯。尽管曼哈顿计划中研究钚化学的核心机构是芝加哥冶金实验室，埃姆斯计划的化学家们也对如何将钚金属从辐射铀废料及高毒性裂变产物中分离出来的化学方案，进行了细致的探索和交叉验证。

## 战后

1945年10月12日，曼哈顿计划的军事负责人、少将莱斯利·R·格罗夫斯造访了爱荷华州立学院。为了表彰该学院在曼哈顿计划铀生产中做出的贡献，格罗夫斯为其颁发了陆海军“E”级卓越生产奖。由一所学术性机构获得这项通常只授予工业制造组织的殊荣，在美国历史上较为罕见。该奖项的实体是一面缀有四颗白星的旗帜，代表了埃姆斯计划在两年半的时间里付出的努力与效率。截至2011年，这面旗帜依然被保存在爱荷华州立大学的斯佩丁大楼内。

战事结束后的1945年11月1日，爱荷华州教育委员会成立了原子能研究所（Institute of Atomic Research，简称 IAR）。该机构旨在作为协调整个美国中西部核能和平利用研究工作的枢纽，斯佩丁出任了首任所长。在过渡期内，曼哈顿计划的机构继续为埃姆斯的科研活动提供经费，随着《1946年原子能法案》的通过，研究团队的管辖权在1947年1月1日移交给了新成立的原子能委员会（AEC）。

1947年5月17日，AEC正式将运营管理埃姆斯实验室（此时其地位已晋升为国家实验室级别）的合同授予了爱荷华州立学院。实验室被保留在大学校园内，其科研人员主要由该校的教职员工和研究生组成。斯佩丁作为核心人物，一直担任实验室主任至1968年退休。为了让科研人员专注于科研，实验室的日常行政管理工作移交给了原子能研究所（IAR）。联邦政府拨款建造了新的永久性研究大楼。这些设施分别于1948年和1950年落成并投入使用，随后被命名为威廉姆斯大楼（Wilhelm Hall）和斯佩丁大楼（Spedding Hall）。在战后的岁月里，埃姆斯实验室保持了在化学和冶金学领域的领先地位，在稀土金属的精炼、提纯与特性研究方面具有重要影响力。