第698章 揭秘曼哈顿计划！铀分离工厂！核反

    第698章 揭秘曼哈顿计划！铀分离工厂！核反应堆！设计和制造实验室！
    曼哈顿计划之所以能那么快成功，并不是因为没有遇到什么研发困难。
    相反，奥本海默等人遇到了很多技术性方面的难题。
    但是这些问题在美国政府疯狂砸钱，从4亿美元追加到20亿美元的情况下，就变得不难了。
    “钱能解决的问题都不是问题！”
    “有任何想法立刻去试！”
    科学家如果拥有无限的资源，确实能爆发出可怕的力量。
    从一张图就能看出曼哈顿计划的复杂和庞大。
    1942年9月，格罗夫斯上任之后，首先在美国田纳西州橡树岭购买了第一块土地5。
    这里建成了曼哈顿计划的核心工厂之一：铀235分离工厂。
    对于武器级铀而言，其纯度必须达到90%以上，否则无法进行链式反应。
    而天然存在的铀元素，其中铀235的丰度只有0.7%。
    从0.7%到90%，这是何等恐怖的提纯倍率！
    当时，科学家们一共提出了三种分离提纯方法。
    第一种是路易斯的学生尤里提出的“气体扩散法”：
    首先将铀单质（包含三种同位素）变成氟化铀气体，然后让这些气体钻过有很多细孔的板子。
    根据热力学知识，当氟化铀气体通过细孔时，较轻的铀235分子的扩散速度比较重的铀238要快一点。
    因此，气孔板一侧的铀235含量就会提高。
    按照这种方法，让这些气体分子连续通过5000道板子，铀235的纯度就能大大提高了。
    这种方法效率很高，一次性可以同时分离很多铀。
    但缺点也很明显，铀235的纯度很难达到90%，因为气体的扩散是杂乱无章的，总会混杂铀234/238。
    第二种是劳伦斯提出的“电磁分离法”：
    该方法原理很简单，那就是将铀单质置于回旋加速器之中。
    由于铀235的质量和铀234/238有细微的区别，因此，三种同位素的旋转半径不同。
    通过控制电磁场就能单独分离出铀235原子，并将其从加速器中引导出来。
    这种方法的优点就是铀235的纯度很高很高，甚至能达到95%以上。
    但是缺点也很明显，那就是效率实在太低了。
    因为回旋加速器一次性不能添加太多材料，否则很容易出问题。
    这时，聪明的你肯定想到了：
    “那把两种方法结合起来啊。”
    没错，当时的科学家发现这点后，首先用气体分离法进行“粗浓缩”，然后把粗浓缩后的铀再利用电磁分离法进行“细浓缩”。
    如此一来，不仅铀分离的效率提高了，铀235的纯度也大幅提高，满足原子弹的要求。
    第三种是艾贝尔森提出的热扩散法。（原理和气体扩散法类似，只不过改成热驱动）
    当时，由于不知道哪一种方法好，美国政府当即拍板：
    “三种方法同时进行！”
    这三种方法，每一种都需要建造单独的工厂，配备庞大的机器设备，而且耗资巨大。（见图）
    美国的财力和决心可见一斑。
    于是，橡树岭铀分离工厂就变成了一座超级庞大的工厂群，常规工人数量就超过8万人。
    它也是曼哈顿计划投资最多的部分。
    很快，随着不断试错，最终热扩散法被淘汰。
    铀分离工厂决定采用气体扩散和电磁分离混合法。
    而这两种方法，每一个都是超级耗电大户，两者一起占据美国同年总用电量的1/6。
    曼哈顿计划的三年时间内，橡树岭铀分离工厂一共消耗了几千吨铀矿石，最终只分离出70多公斤的铀235。
    原料问题搞定后，另一个问题迫在眉睫。
    “要如何用铀实现可控核裂变呢？”
    原子弹本身虽然是不可控核裂变，但是研究它却需要进行可控的实验。
    而铀235又如此珍贵，一点不能浪费。
    这时候，费米临危受命。
    他负责在芝加哥大学建造核反应堆3。
    顺便提一下，格罗夫斯非常尊敬这些科学家，甚至允许他们在自己的学校工作。
    因此你会发现，格罗夫斯领导的行政总部在东海岸的曼哈顿1，奥本海默领导的科学总部却在西海岸的伯克利2。
    而费米领导的核反应堆又在中部的芝加哥。
    三地交流起来很不方便，但是格罗夫斯依然同意了。
    而这一切，只因为奥本海默的一句话：
    “我们更喜欢在学校的氛围。”
    费米在芝加哥大学率领包括西拉德在内的几十名顶级科学家，开始了可控核反应堆的建造。
    而康普顿则负责项目的监管，对外宣称这个项目就是普通的科研项目。
    当时，康普顿在得知费米想直接在芝加哥大学内部建造核反应堆时，尿都吓出来了。
    “费老弟，万一控制不住，整个芝加哥都会灰飞烟灭。”
    然而，费米只是霸气地说道：
    “我不会让它发生的。”
    核反应堆的建造也不是一帆风顺的。
    要进行可控的核链式反应，那就必须能控制中子的速度。
    还记得费米之前发现：水中的氢可以减慢中子速度吗？
    费米认为如果用重水，效果可能会更好。
    大佬提出要求了，美国政府当即斥资2600万美元，在加拿大境内建造重水生产工厂7。
    然而，费米用重水试验后，发现效果并没有想象中那么好。
    于是，他再次提出：用石墨试试。
    对此，美国政府毫无怨言，之前的重水工厂就当打水漂了。
    石墨这东西就不那么珍贵了，私营大企业敞开供应。
    很快，研究终于取得突破！（核反应堆不能描述太多细节哈）
    1942年12月2日下午3点25分。
    当中子计数器发出一声轻微的震颤声，人类历史上第一台可控核反应堆诞生了！
    这台核反应堆由4万个石墨块包裹着1万9千片铀材料构成，连防护系统都没有，费米等人完全是冒着生命危险。
    它最初的输出功率只有0.5瓦特，甚至连一个灯泡都点不起来。
    但是它却代表着人类正式开启了原子能时代，迈入新的历史阶段！
    这台反应堆后来被称为“芝加哥一号堆（chicago pile-1）”，简称为“cp-1”。
    费米团队的成功，鼓舞了曼哈顿计划的所有科学家。
    这时候，格罗夫斯找到奥本海默，真诚地说道：
    “现在铀材料有了，核反应堆的原理也搞定了，可以开始设计和制造原子弹了。”
    “但是这些工作总不能在大学内部进行吧。”
    奥本海默想想也对，确实需要建造一个专门的实验室来研究。
    1943年3月，美国新墨西哥州的一片沙漠中，洛斯阿拉莫斯实验室正式建成4。
    格罗夫斯亲自到场坐镇，带领3000名全副武装的士兵保护实验室的安全。
    洛斯阿拉莫斯实验室的保密性要求极高。
    整个实验室位于山谷之中，与世隔绝，只有一条小路能够进出。
    每个工厂和居住区都有代号，往来的任何邮件都要受到严格审查。
    实验室内的每一个研究人员的祖上三代都被查了个底朝天。
    哪怕是在此工作的普通工人，也要经过严格的筛选。
    每个人只能了解自己职责范围内的一点事情，不知道自己到底在干什么，工作有什么意义。
    有位工人曾回忆道：
    “我的工作就是打开阀门。”
    “当数字从0移动到100时，就要打开一次；当数字从100又回到0时，再打开另一个阀门。”
    “一整天就过去了。”
    “第二天继续如此。”
    而且任何人不允许提问或者异议，否则直接被带走隔离审查。
    格罗夫斯把这种严格的要求同样带到了橡树岭铀分离工厂。
    比如气体扩散分离装置中，有一个关键器件叫滤镜。
    当时有一大批女工专门负责加工滤镜的原材料。
    奇怪的是，这些女工每个人一旦来了例假，就必须立即上报，绝对不能隐瞒。
    例假期间的女工会被安排到另外的小组去工作，等结束后再回来。
    女工们虽然很好奇，但没有谁敢问为什么，只能老老实实照做。
    原来，女性在例假期间，排汗量会增多，所以手中的汗珠容易污染滤镜原材料，导致纯度不够。
    这就是曼哈顿计划的保密性和严格性。
    真实历史上，一共只有12个人了解曼哈顿计划的全貌。
    甚至于连后来新上任的杜鲁门总统都不知道这个计划具体干什么。
    加州大学校长看见奥本海默去了那里，还以为对方在研究“死光”武器呢。
    总之，铀分离工厂、芝加哥一号堆等这些都是前置工作。
    最终的目的就是要在洛斯阿拉莫斯实验室设计和制造原子弹。
    奥本海默成为实验室主任。
    cp-1也从芝加哥转移到实验室，并且被重新改进优化为cp-2，满足实验所需。
    刚开始，奥本海默信心十足，霸气地说道：
    “我只需要6名物理学家和100多名技术工程师，就能造出原子弹。”
    然而，原子弹的难度还是超越了他的想象。
    很快，研究团队就超过了1000人，当时美国几乎所有物理学家都参与进来了。
    实验室中最重要最核心的就是理论部，费曼、费米、玻尔、泰勒、冯·诺依曼等大佬都在这里。
    该部门负责研究和计算原子弹的爆炸原理，部门主任为37岁的贝特。
    贝特是索末菲的博士生，因为犹太血统被迫从德国逃到美国。
    他在量子力学、核物理、粒子物理、天体物理领域都有突破性贡献，获得1967年的物理诺奖。（非常牛逼的一个人，但是他的牛逼不好写，过于专业）
    理论部的第一项任务，就是计算铀235的临界质量。
    所谓的临界质量，就是指能维持链式反应所需的最小裂变材料的质量。
    因为如果铀的质量很小，意味着体积也很小，那么中子就很容易穿透材料，跑到外面去，导致裂变停止。
    因此，原子弹内的铀材料质量必须超过临界质量。
    此外，铀材料的形状、纯度等性质，都会影响临界质量的数值。
    而要想做成原子弹，铀材料肯定会经过各种结构设计，因此临界质量也会发生轻微的变化。
    所以，理论部的物理学家们就计算了一种最简单的情况：完美球形铀材料。
    海森堡当时凭借自己一己之力算错了。
    但是理论部有十几位超级大佬，几十位大佬，算错的可能性为零。
    最后得出结果为50公斤。
    就算因为最后的结构设计不同，导致临界质量变化，也不过是增减几公斤而已。
    看到这个结果，奥本海默等人顿时心凉了半截。
    根据橡树岭铀分离工厂传来的数据，三年之内，他们只能提纯70多公斤的铀235。
    换言之，铀材料只够制造出一枚原子弹！
    那还怎么试爆呢？
    不试又怎么能确定理论和设计正确呢？
    万一投了一个哑弹，那估计会被樱族给笑死。
    就在众人一筹莫展、焦头烂额之际，西博格（不是西拉德哈）忽然想到自己曾创造的94号元素钚。
    “钚239同样能发生核裂变。”
    “为何不用它试试？”
    众人大喜。
    经过计算，钚239的临界质量只有区区5公斤。
    而且制造钚239的工艺很成熟，所用的原材料正是之前铀分离工厂不需要的铀238。
    中子照射铀238即可得到钚239。
    很快，西博格按照费米的经验，带领团队制造出钚反应堆，验证了钚链式反应的机理。
    接着，美国政府大笔一挥，耗资3.9亿美元，在华盛顿州汉福特城又建造了一个钚239制造工厂6。
    顺便提一下，后来橡树岭铀分离工厂也开始提纯钚239。
    根据汉福特城工厂的进度反馈，钚239的量足够制造出2枚原子弹的。
    至此，奥本海默等人终于放下心来。
    紧接着，理论部要攻克第二项任务，也是最关键的任务：
    “原子弹的结构到底怎么设计？”
    如果不考虑任何因素，左手拿一块30公斤的铀235，右手也拿一块30公斤的铀235。
    双手只要一合并，核链式反应就启动了。（因为空气中也存在游离中子，可能引发核反应。）
    这种方式估计是恐怖分子最爱。
    但是要想制造成原子弹这种可控的武器，那么要考虑的东西就复杂了。
    随着大佬们的深入研究和计算，这时，出现了两种截然不同的设计方法。
    奥本海默思考后，大手一挥：
    “理论部划分为两个小组，同时研究这两种设计原理！”
    (本章完)