エイムズプロジェクト

エイムズ計画は、 第二次世界大戦中に最初の原子爆弾を製造するための、より大規模なマンハッタン計画の一部であった研究開発プロジェクトでした。アイオワ州エイムズのアイオワ州立大学のフランク・スペディングによって、化学と冶金学を専門とするシカゴ大学の冶金研究所から派生して設立されましたが、独立したプロジェクトになりました。エイムズ計画では、マンハッタン計画の原子爆弾と原子炉 に必要な純粋なウラン金属を調製する方法であるエイムズ法が開発されました。1942年から1945年の間に、1,000ショートトン（910 t）を超えるウラン金属が生産されました。また、トリウム、セリウム、ベリリウムを調製および鋳造する方法も開発されました。1945年10月、アイオワ州立大学は、通常は産業組織にのみ与えられる賞である、生産における卓越性に対する陸海軍「E」賞を受賞しました。 1947年に原子力委員会傘下の国立研究所、エイムズ研究所となった。

1932年にジェームズ・チャドウィックが中性子を発見し、^[1]ドイツの化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンが1938年に核分裂を発見し、 ^[2]その直後にリーゼ・マイトナーとオットー・フリッシュが理論的説明（および命名）を行い、 ^[3]ウランによる制御された核連鎖反応の可能性が開かれた。^[4] 1941年12月20日、日本による真珠湾攻撃で米国が第二次世界大戦に参戦した直後、ノーベル賞を受賞した物理学者アーサー・H・コンプトンがプルトニウム計画の責任者に任命された。^{[5] [6]この計画の目的は、ウランをプルトニウムに変換する原子炉を製造し、プルトニウムをウランから化学的に分離する方法を見つけ、最終的には}原子爆弾を設計・製造することだった。^{[7] [8]}これがマンハッタン計画となった。^[9]成功した原子炉はまだ建設されていませんでしたが、科学者たちはすでにいくつかの異なるが有望な設計コンセプトを生み出していました。^[10]

コンプトンは1942年2月にシカゴ大学にプロジェクトの冶金研究所を設立した。その使命は原子爆弾に使用されるプルトニウムを製造するための原子炉を建設することだった。 ^[11]研究所の化学部門の編成について助言を得るために、物理学者のコンプトンは同位体と放射性元素についてかなりの経験を持つハーバート・マッコイ[ ^{12]に頼った。マッコイは}アイオワ州エイムズのアイオワ州立大学のフランク・スペディングを、ウランとプルトニウムを含むアクチノイド系列に化学的に類似する希土類元素の専門家として推薦した。 ^[13]コンプトンはスペディングに冶金研究所の化学部門長になるよう依頼した。^[14]

シカゴ大学にスペースがなかったため、スペディングはアイオワ州立大学に化学部門の一部を組織することを提案した。そこには協力してくれる同僚がいた。スペディングは毎週の半分をエイムズで、残りの半分をシカゴで過ごすことで合意した。^[15]エイムズのスタッフはスペースが空いたらシカゴに移転する予定だったが、これは実現しなかった。エイムズ計画の成功により、エイムズはマンハッタン計画内の独立した研究所となった。^[16]

スペディングはアイオワ州立大学の同僚科学者2人を副所長として採用することから始めた。分光化学と冶金学の専門家であるハーレー・A・ウィルヘルムをエイムズ計画の冶金部門長に、イラル・B・ジョンズをプルトニウム部門長に任命した。彼らの下には8人の課長がいた。エイムズ計画は90人以上の科学スタッフを抱えるまでに成長した。^[17]スタッフの総数は最終的に500人を超えた。 ^[18]上級スタッフは日曜日の朝に集まり、前週の仕事を振り返り、翌週の目標を立てた。このプロセスは「スペディナーズ」と呼ばれるようになった。^{[17]当初スペディングは会議の直後にシカゴへ出発しなければならなかったが、1943年初頭に冶金研究所の化学部門長として}ジェームズ・フランクが後任となり、スペディングはエイムズでより多くの時間を過ごすことができた。彼は冶金研究所の副所長に留まった。^{[19] [20]}

スペッディングは幸運にも、アイオワ州立大学の学長チャールズ・E・フリリーの全面的な支援を受けることができた。セキュリティチェックが行われている間は、当初は彼に仕事の内容を明かすことはできなかったが。セキュリティチェックが完了すると、フリリーは理学部長ハロルド・V・ガスキルをエイムズ計画の管理者として迎え入れた。^[21]アメリカ陸軍工兵隊は1942年6月にマンハッタン計画を、1942年後半にはエイムズ計画を管理した。^[22]

議題の第一は、エンリコ・フェルミが建設を提案していた原子炉用のウランを見つけることだった。ウラン鉱石は容易に入手可能だった。ベルギー領コンゴ産の高品位鉱石約1,200ショートトン（1,100 t）がスタテン島のポート・リッチモンドの倉庫に保管されていた。^{[23]カナダの}ノースウエスト準州の北極圏に近いグレートベア湖のポート・ラディウムにあるエルドラド鉱山では、年間約300ショートトン（270 t）が採掘されていた。エルドラド社はオンタリオ州ポート・ホープでも精錬所を運営しており、そこではカナダとベルギーの鉱石が精錬されていた。マンハッタン計画の1942年の推定所要量は200ショートトン（180 t）だったが、コンプトンが提案した原子炉に必要なのはそのうちのわずか45ショートトン（41 t）だった。^[24]

主な問題はウラン酸化物中の不純物で、これが中性子毒として作用し、核連鎖反応を妨げる可能性がある。不純物の存在のため、1942年以前に出版された文献では、ウランの融点が1,700 °C (3,090 °F) 前後と記載されているのが一般的だが、純粋なウラン金属の融点は実際には1,132 °C (2,070 °F) である。^{[25] [26] [27]}メタルハイドライド社のピーター・P・アレクサンダーは、1938年にウランの融点が「1,100 °C (2,010 °F) ほど低く、さらにそれより少し低い」ことを初めて示唆した。^{[28] [29]}

研究室でウラン酸化物を精製する最も効果的な方法は、硝酸ウランがエーテルに溶けるという事実を利用することだった。このプロセスを工業生産に拡大することは危険な提案だった。エーテルは爆発性があり、大量に使用する工場は爆発するか燃え尽きる可能性があった。コンプトンとスペディングは、エーテルの経験があるミズーリ州セントルイスのマリンクロット社に頼った。スペディングは1942年4月17日にマリンクロット社の化学技術者ヘンリー・V・ファーとジョン・R・ルーホフと詳細を検討した。数か月以内に、60トンの高純度ウラン酸化物が生産された。^{[30] [31]}

商業的に入手可能な唯一のウラン金属は、ウェスティングハウス・エレクトリック・アンド・マニュファクチャリング・カンパニーが光化学プロセスを使用して生産したものであった。 ^[32]酸化ウランは、ニュージャージー州ブルームフィールドにあるウェスティングハウスの工場の屋上にある大きなタンクでフッ化カリウムと反応した。^{[24]これにより、} 25セント硬貨大のインゴットが生産され、1グラムあたり約20ドルで販売された。しかし、ウランの製造を担当する冶金研究所のグループ責任者であるエドワード・クルーツは、実験用にオレンジ大の金属球を欲しがった。ウェスティングハウスのプロセスでは、製造に20万ドルの費用がかかり、1年かかっただろう。[ ^33]アレクサンダーが開発した水素化物または「ハイドラメット」プロセスでは、ウラン鉱石を金属に変換するための還元剤として水素化カルシウムを使用した。 ^{[29] [34]この方法により、}マサチューセッツ州ビバリー のメタル・ハイドライド工場は数ポンドのウラン金属を生産することができた。残念ながら、水素化カルシウムには中性子毒であるホウ素が許容できない量含まれていたため、原子炉での使用には適さない金属となっていた。国立規格協会とユニオン・カーバイドのクレメント・J・ロッデンが、十分に純粋な水素化カルシウムを製造する方法を見つけるまで、数か月が経過した。^[24]

スペッディングとヴィルヘルムは、ウラン金属の製造方法を模索し始めた。当時、ウランは粉末の形で生産されており、非常に自然発火性であった。圧縮して焼結し、缶に入れて保管することはできたが、使用するためには溶かして鋳造する必要があった。ウランはベリリウム、マグネシア、グラファイトのるつぼを腐食するため、鋳造は困難を極めた。ウラン金属を製造するために、彼らはウラン酸化物を水素で還元しようとしたが、うまくいかなかった。周期表の隣接する元素のほとんどは還元して純粋な金属とスラグを形成できるが、ウランはこのようには振る舞わない。1942年6月、彼らは次に水素雰囲気中で炭素でウランを還元しようとしたが、うまくいかなかった。次にアルミニウム、マグネシウム、カルシウムを試したが、いずれも不成功に終わった。翌月、エイムズチームは溶融ウランをグラファイト容器で鋳造できることを発見した。^[35]グラファイトはウランと反応することが知られていましたが、炭化物は両者が接触した部分にのみ形成されるため、この反応は制御可能でした。^[36]

この頃、マンハッタン計画のバークレー放射線研究所の誰かが、カルトロンで使用されていたウラン化合物である四フッ化ウランの2インチ（51 mm）立方体を冶金研究所に持ち込み、原子炉で酸化ウランの代わりにそれを使用する可能性について議論した。スペディングは、酸素の問題を回避して、この塩からウラン金属を製造できるのではないかと考え始めた。彼は立方体をエイムズに持ち帰り、ウィルヘルムに調査を依頼した。その仕事は、同僚のウェイン・H・ケラーに割り当てられた。^[37]ケラーは、1926年にニューハンプシャー大学のJCゴギンズらが開発したプロセス（現在ではエイムズ法として知られている）を調査した。このプロセスでは、四塩化ウラン（1841年にウジェーヌ・メルキオール・ペリゴが初めてカリウムで還元して純粋なウランを調製した物質^[38]）と金属カルシウムを、酸化カルシウムで裏打ちされた鋼鉄製の圧力容器（通称「爆弾」）で混合し、加熱した。 ^[36]ケラーは1942年8月3日にゴギンズの結果を再現し、非常に純粋なウラン金属のボタンを20グラム（0.71オンス）作成した。その後、このプロセスはスケールアップされた。9月までに、爆弾は長さ15インチ（38センチメートル）の4インチ（10センチメートル）の鋼管で製造され、腐食を防ぐために石灰で裏打ちされ、最大3キログラム（6.6ポンド）の四フッ化ウランが入ったものになった。 CFグレイはこれらのインゴットを採取し、4,980グラム（10.98ポンド）、5インチ×2インチ（12.7cm×5.1cm）の純ウランのビレットに鋳造した。^[39]

1942年9月24日、ヴィルヘルムはシカゴの冶金研究所のスペッディングにインゴットを持ち込み、コンプトンに提示した。コンプトンの最初の反応は信じられないというものだった。彼はそれが中空であるに違いないと思った。スペッディングはインゴットを切り開いた。それは中空ではなかった。数日後、冶金研究所の所長リチャード・L・ドアンがエイムズに行き、エイムズ計画のために1日あたり100ポンド（45kg）の純粋なウラン金属を生産するための科学研究開発局（OSRD）契約を作成した。これはパイロットプラントであり、そのプロセスは最終的に産業界に移管される予定だった。 ^[40] OSRD契約は、1942年11月にマンハッタン計画の契約に取って代わられた。 ^[41]最初の契約は5万ドルだった。1945年12月31日までに、エイムズ計画に与えられた契約の額面金額は合計690万7000ドルであった。しかし、この工事には400万ドルの費用がかかった。^[42]

ウィルヘルムはキャンパスの南東端に古い木造の建物を見つけた。1926 年までは家政学の建物で、その後 1941 年に新しい建物が建てられるまでは女子体育館として使われていた。1942 年までには主に倉庫として使われていた。建物はエイムズ プロジェクトに引き渡され、木製の床はコンクリート製の床に張り替えられたが、何年もの間建物の取り壊しを試みていた大学の建築家にとっては残念な結果だった。建物は正式には物理化学別館として知られるようになり、地元の人々は兵器工場があったアイオワ州アンケニーの近くの町にちなんで「リトル アンケニー」と呼んでいた。工作機械を探していたウィルヘルムはエイムズで売りに出されている機械工場を見つけた。オーナーのビル メイトランドはかつて園芸用具を作っていたが、戦時中の配給制のせいで必要な金属が手に入らなくなっていた。ウィルヘルムはそれを 8,000 ドルで購入した。冶金研究所は2台の大型40キロワット還元炉を供給した。^[40]

エイムズ計画は、1942年12月2日に臨界に達した世界初の原子炉であるシカゴ・パイル1の建設のために、冶金研究所に2トンのウラン金属を供給した。^{[40]エイムズ計画は後に、}テネシー州オークリッジのクリントン・エンジニア・ワークスのX-10グラファイト原子炉に90パーセント以上のウランを供給することになる。 ^[43]生産量は、1942年12月の1日あたり100ポンド（45kg）のウラン金属から、1943年1月中旬までに1日あたり550ポンド（250kg）に増加した。^[44]

製造工程では、カルシウムの代わりにマグネシウムを使用するように変更された。マグネシウムはより安価で、入手しやすく、より純粋であった。しかし、マグネシウムはカルシウムよりも反応を開始するのが難しく、より多くの加熱を必要とした。特徴的な色からグリーンソルトとして知られる四フッ化ウランは、マリンクロット、デュポン、ハーショウケミカルによって供給され、 ^[45]マグネシウムと同様に到着時に粉砕された。爆弾は通常、6インチ (15 cm) のパイプで、長さは36インチ (91 cm) であったが、10インチ (25 cm) のパイプで、長さは42インチ (110 cm) で、125ポンド (57 kg) のインゴットを製造することもできた。これらは40～60分間650℃（1,202℉）に加熱され、その後混合物は自然に反応し、1,500～2,000℃（2,730～3,630℉）の温度に達した。マイクで点火を検知し、爆弾は冷却のためにスプレー室に移動される。すべてがうまくいけば、ウラン金属ビスケットとフッ化マグネシウムのスラグが生成される。爆弾が冷却された後、爆弾は開かれ、2つが分離するまでハンマーで叩かれる。結果として得られたビスケットは刻印され、鋳造のために送られる。^[46]

鋳造によりウランはインゴットに成形し直され、不純物が除去された。金属ビスケットは黒鉛るつぼで溶かされ、鋳型に流し込まれた。これにより、直径1.5〜5.0インチ（3.8〜12.7cm）、長さ20〜30インチ（51〜76cm）の棒が作られた。棒には番号が刻印され、冶金研究所への出荷用に木箱に入れられた。そこから、棒はオークリッジまたはハンフォードサイトに送られた。1943年7月までに、エイムズ計画は1か月あたり13万ポンド（59,000kg）のウラン金属を生産していた。^[46]ウラン金属1ポンドのコストは1,000ドルから約1ドルに低下した。^[47] 1943年7月から、マリンクロット社、エレクトロメット社、デュポン社がエイムズ法によるウラン生産を開始し、^[46]エイムズ社は1945年初頭までに自社の生産を段階的に廃止した。^[48]

エイムズ計画は、スクラップからウラン金属を回収するプログラムを開始した。この目的のために、物理化学別館2と呼ばれる新しい建物が1944年に建設された。ウランの削りくずは洗浄、乾燥され、磁石に通されて鉄の不純物が除去され、ブリケットに圧縮された。その後、再溶解に送られた。この作業は1945年12月にメタルハイドライド社とハンフォードサイトの回収工場に引き継がれ、その時点でエイムズ計画は60万ポンド（270トン）のスクラップ金属を回収していた。エイムズ計画は合計で1,000ショートトン（910トン）を超えるウラン金属を生産した。1945年8月5日、メタルハイドライド社とデュポン社と同様にすべての生産が停止し、戦後初期にはマリンクロット社が唯一のウラン金属生産者となった。^[49]

1942 年から、エイムズ計画ではウラン生産事業と並行して、トリウム、ベリリウム、セリウムなどの希土類金属の分離と精製に関連するさまざまな冶金研究を実施しました。

1942年、グレン・T・シーボーグは、トリウムに中性子を照射すると、核分裂性の ウラン233に変換できることを立証した。これは、特にウラン233をトリウムから分離するのがプルトニウムから分離するよりも簡単だと判明した場合、原子爆弾へのもう一つの可能​​性のある道であった。ウラン233の製造にはハンフォード原子炉の完全な再設計が必要だったため、それ以上追求されなかったが、1944年4月、冶金研究所のトルフィン・R・ログネスは、トリウムを含む原子炉は、トリウムを追加するだけで反応を維持するのに十分なウラン233を製造できると計算した。これは非常に興味深いことだった。当時、ウランは不足しているかもしれないと考えられていたが、トリウムは少なくともその10倍は豊富にあったからである。^[50]

1943 年 7 月と 8 月、エイムズ プロジェクトはエイムズ法に似た方法でトリウム金属を作ろうとしたが、トリウムの融点はウランよりはるかに高いため、これは失敗に終わった。努力は 1944 年まで続けられ、塩化亜鉛ブースターで亜鉛トリウム合金を製造できることがわかった。グラファイトるつぼで 1,300 °C (2,370 °F) に加熱すると亜鉛が溶けて取り出せる。こうして残ったトリウムはベリリアるつぼで 150 ポンド (68 kg) のインゴットに鋳造された。1945 年 12 月 31 日までに約 4,500 ポンド (2,000 kg) が生産された。戦前はトリウムは 1 グラム 3 ドルで販売されていたが、エイムズ プロジェクトは戦後 1 グラム 5 セント以下で生産していた。^{[51] [52]}

ベリリウムはマンハッタン計画で中性子反射体として、^{[53]および}変調中性子起爆装置の構成要素として使われた。^[54]米国で商業的にベリリウムを生産していたのはオハイオ州ロレインのブラッシュベリリウム社のみであった。^[55]エイムズ計画は1943年12月に製造プロセスの開発に着手し、爆弾内のフッ化ベリリウムを金属マグネシウムと硫黄ブースターで還元した。ベリリウムを扱う上での主な難点は、その毒性の高さであった。有毒なベリリウムの粉塵が発生する可能性を最小限に抑えるため、密閉された爆弾が使用された。このプロセスはうまくいったが、硫化マグネシウムによって生じる高温と高圧のため、爆発の危険性があった。その後、金属カルシウムと塩化鉛ブースターを使用した爆弾内のフッ化ベリリウムを使用する代替方法が開発された。金属は真空中で鋳造された。戦争が終わったときも研究は継続されていた。^[56]

1944 年半ば、エイムズ計画はセリウムの生産を依頼された。^[57]これはバークレーとロスアラモスの研究所で、プルトニウムを鋳造するためのるつぼで使われる硫化セリウムの製造に使用されていた。 ^[58]ここでも爆弾法が使用され、今回はヨウ素ブースターを使用して無水塩化セリウムをカルシウムで還元した。塩化水素ガスを使用して塩化セリウムを乾燥するための特別な「乾燥室」が建設された。得られた金属にはカルシウムとマグネシウムの不純物が含まれていたため、それらを除去するために再鋳造する必要があった。この機会を利用して、直径 0.75 インチ (1.9 cm)、長さ 4 インチ (10 cm) の希望の形状の棒状に加工した。セリウムは非常に反応性が高いため、再溶解は酸化カルシウムまたは酸化マグネシウムのるつぼを使用して真空中で行われた。セリウム金属の最初の出荷は1944年8月に行われました。エイムズ研究所は1945年8月に生産が終了するまでに、極めて純度の高い（99%以上）セリウム437ポンド（198kg）を生産しました。^[57]

戦前はウラン金属が非常に不足していたため、その冶金学についてはほとんど知られていなかったが、原子炉でウランが使用されるようになったため、マンハッタン計画はウランの特性に強い関心を抱くようになった。特に、冷却に水が使用されるため、熱伝導率が高く耐腐食性に優れた合金について憶測が飛び交った。エイムズ計画では、 金属ウランの代わりに原子炉の燃料として使用できる可能性のある炭化ウランを製造し、テストした。ビスマスも同様に中性子捕獲断 面積が低いため、エイムズ計画ではウランビスマス合金を製造し、テストした。^[59]

一時期、原子炉内のウランを銅で覆って腐食から守るという提案が浮上していた。そのためエイムズ計画では、ウランが銅のジャケットと接する部分にできるウラン銅合金を研究した。^{[59] [60]}実際にはウランはアルミニウムで缶詰にされたが、これも缶をはんだ付けするために使われたスズとの合金と同様に研究された。エイムズ計画の他の場所で生産または使用されていたベリリウム、カルシウム、コバルト、マグネシウム、マンガン、トリウムとウランの合金を使ったテストも行われた。プルトニウムは金や銀と親和性が高いため、冶金によってウランからプルトニウムを分離する試みがなされたが、マンハッタン計画では代わりに化学分離法であるリン酸ビスマス法を使うことを選択した。^[59]

エイムズ計画ではトリウムの研究も行われ、ビスマス、炭素、クロム、鉄、マンガン、モリブデン、ニッケル、酸素、スズ、タングステン、ウランとの合金化や、ベリリウムとビスマス、鉛、トリウム、ウラン、亜鉛との合金化が行われた。^[59]

ウランの化学は、エイムズ計画による複数の研究の焦点であった。様々なウラン酸化物とウラン水素化物の特性が調査された。^[61]後者は特に興味深いものであった。なぜなら、ロスアラモス研究所は、金属ウランの代わりにこれを原子爆弾に使用することを検討したが、そのアイデアは非効率的であることが判明し、棚上げされたからである。^[62]電磁同位体分離プロセスから残った四フッ化ウランと気体拡散プロセスから残った六フッ化ウランから劣化ウラン金属を回収するプロセスが開発された。これは、キログラム単位の量を生産するパイロットプラントとして運用され、その後、マンハッタン計画のSAM研究所に引き渡され、オークリッジで産業規模で実施された。^[61]

ウランの化学と冶金学はほとんど理解されていなかったが、プルトニウムは微量しか存在しなかったため、事実上知られていなかった。原子炉からのサンプルは1943年に届き始め、マンハッタン計画のプルトニウム化学の研究の中心は冶金研究所であったが、エイムズ計画ではウランと核分裂生成物からプルトニウム金属を分離する方法が研究された。^[63]

マンハッタン計画の責任者、レスリー・R・グローブス・ジュニア少将は、1945年10月12日にアイオワ州立大学を訪れ、マンハッタン計画のためのウラン生産に貢献した功績に対して、陸軍・海軍「E」生産優秀賞を授与した。^[64]この賞は通常、産業界の組織に与えられるものであり、大学がこの賞を受け取るのは前例のないことであった。^[65]この賞は、戦争への2年半の貢献を表す4つの白い星をあしらった旗の形で授与された。^[66] 2011年現在^{[アップデート]}、この賞はスペッディング・ホールにあるアイオワ州立大学に展示されている。^[67]

アイオワ州教育委員会は1945年11月1日、アメリカ中西部全体の研究調整機関として原子力研究所（IAR）を設立し、スペッディングを所長とした。マンハッタン計画はエイムズ計画の活動に資金を提供し続けたが^{[68] 、} 1946年の原子力法の成立により、1947年1月1日に新設された原子力委員会（AEC）に責任が移った。 ^[69]

1947年5月17日、AECは、今や国立研究所の地位を得たエイムズ研究所の運営契約をアイオワ州立大学に与えた。研究所はアイオワ州立大学のキャンパスに残り、スタッフの大半は教授と大学院生で構成されていた。スペッディングは1968年に退職するまで所長を務めた。管理はIARに委任された。^[68]恒久的な建物が建設され、1948年と1950年にオープンし、後にウィルヘルム・ホールとスペッディング・ホールと名付けられた。^[70]エイムズ研究所は、特に希土類金属の化学と冶金学に重点を置いていた。^[68]

• 「特別コレクション – オーラルヒストリーインタビュー」。Apple Inc. 2016年5月31日閲覧。
• 「エイムズ計画（1942-1946）」科学技術情報局。2012年6月14日。 2016年5月31日閲覧。 （ビデオ）
• 「アイオワ州立大学におけるマンハッタン計画」アイオワ州立大学2012年3月20日2016年5月31日閲覧。（フォトギャラリー）