カルトロン

カルトロンは、もともとウランの同位体を分離するために設計・使用された質量分析計です。マンハッタン計画中にアーネスト・ローレンスによって開発され、彼の以前の発明であるサイクロトロンを基にしています。その名称は、ローレンスが発明したカリフォルニア大学に敬意を表して、カリフォルニア大学サイクロトロンに由来しています。カルトロンは、テネシー州オークリッジのクリントン工兵工場にあった工業規模のY-12ウラン濃縮プラントで使用されました。そこで製造された濃縮ウランは、1945年8月6日に広島で爆発した原子爆弾「リトルボーイ」に使用されました。

カルトロンはセクター型質量分析計の一種で、試料を電離させてから電場によって加速し、磁場によって偏向させる装置です。イオンは最終的にプレートに衝突し、測定可能な電流を生成します。異なる同位体のイオンは同じ電荷を持ちながら質量が異なるため、重い同位体ほど磁場による偏向が少なく、粒子ビームは質量によって複数のビームに分離され、プレートの異なる位置に衝突します。イオンの質量は、電場の強さとイオンの電荷に基づいて計算できます。第二次世界大戦中、カルトロンはこの原理を利用して、ウラン同位体間の質量差が小さいことを利用し、高純度ウラン235を大量に得るために開発されました。

ウラン濃縮における電磁分離法は、戦後、より複雑ではあるものの効率的な気体拡散法に取って代わられ、放棄された。マンハッタン計画のカルトロンの大部分は終戦時に解体されたが、一部は軍事、科学、医療目的のために、天然元素の同位体濃縮サンプルを製造するために使用され続けた。

1938 年にドイツの化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンによって核分裂が発見され、リーゼ・マイトナーとオットー・フリッシュによって理論的に説明されたというニュースは、ニールス・ボーアによって米国にもたらされた。^{[ 1 ]}ボーアは、原子核の液滴モデルに基づいて、熱中性子による核分裂の主な原因は、より豊富に存在するウラン 238 ではなく、ウラン 235 同位体であると理論づけた。^{[ 2 ]}これを検証するために、ミネソタ大学のアルフレッド OC ニーアは、1940 年 4 月に質量分析計を使用して微量の濃縮ウラン 235を作成した。その後、ジョン R. ダニング、アリスティッド フォン グロッセ、ユージン T. ブースがボーアの正しさを確認することができた。^{[ 3 ] [ 4 ]}レオ・シラードとウォルター・ジンは、核分裂ごとに複数のニュートロンが放出されることをすぐに確認し、核連鎖反応が開始できることがほぼ確実となり、したがって原子爆弾の開発が理論的に可能であることを明らかにした。^{[ 5 ]}特にナチス・ドイツや他のファシスト諸国からの難民である科学者の間では、ドイツの原子爆弾計画が最初に開発するのではないかという懸念があった。^{[ 6 ]}

イギリスのバーミンガム大学では、オーストラリアの物理学者マーク・オリファントが、2人の難民物理学者オットー・フリッシュとルドルフ・パイエルスに原子爆弾の実現可能性を調査する任務を与えた。皮肉なことに、彼らは敵国人であったため、レーダーのような秘密プロジェクトに従事することはできなかった。^{[ 7 ]} 1940年3月のフリッシュ＝パイエルス覚書では、ウラン235の臨界質量は10 kgのオーダーの範囲内であり、当時の爆撃機 で運搬できるほど小さいことが示された。 ^{[ 8 ]}その後、イギリスのモード委員会は全会一致で原子爆弾の開発を追求することを勧告した。^{[ 9 ]}イギリスはアメリカに科学研究へのアクセスを提供する申し出をしていたため、 ^{[ 10 ]}ティザード使節団のジョン・コッククロフトはアメリカの科学者にイギリスの開発状況について説明した。彼はアメリカのプロジェクトがイギリスのプロジェクトよりも規模が小さく、進捗もそれほど進んでいないことを発見した。^{[ 11 ]}

落胆したオリファントは、アメリカの科学者たちと話をするためにアメリカへ飛んだ。その中には、カリフォルニア大学バークレー校放射線研究所のアーネスト・ローレンスも含まれていた。^{[ 12 ]}二人は戦前に出会っており、友人だった。^{[ 13 ]}ローレンスは感銘を受け、ウランに関する独自の研究を開始した。^{[ 12 ]}ウラン235は天然ウランの約0.72%しか占めていないため、^{[ 14 ]}天然ウランから90%のウラン235を生成するには、ウラン濃縮プロセスの分離係数が125より高くなければならない。^{[ 15 ]}モード委員会は、これを気体拡散法で行うことを推奨していたが、^{[ 8 ]}オリファントは1934年に別の技術、電磁分離法を開拓した。^{[ 16 ]}これはニーアが使用したプロセスだった。^{[ 12 ]}

電磁分離の原理は、荷電イオンが磁場によって偏向され、軽いイオンは重いイオンよりも大きく偏向されるというものである。モード委員会、そして後にそのアメリカ版である科学研究開発局（OSRD）のS-1課が電磁法を見送った理由は、質量分析計は同位体を分離することはできたものの、収率が非常に低かったためである。^{[ 17 ]}その理由は、いわゆる空間電荷制限である。正イオンは正電荷を持つため、互いに反発し合い、ビームが散乱する傾向がある。ローレンスは、自身の発明であるサイクロトロンの研究で荷電粒子ビームの精密制御に関する経験から、真空チャンバー内の空気分子がイオンを中和し、集束ビームを生成するのではないかと推測した。オリファントは、ローレンスに古い37インチ（94cm ）サイクロトロンを同位体分離用の巨大な質量分析計に改造するよう促した。^{[ 12 ]} 

バークレーの37インチサイクロトロンは1941年11月24日に解体され、その磁石は最初のカルトロンの作成に使用されました。^{[ 18 ]}その名前はカリフォルニア大学とサイクロトロンに由来しています。^{[ 19 ]}この研究は当初、放射線研究所が独自の資金で、研究法人から5,000ドルの助成金を受けて資金提供しました。12月、ローレンスはS-1ウラン委員会から40万ドルの助成金を受け取りました。^{[ 20 ]}カルトロンは、スリットのある箱の形をしたイオン源と、内部の高温のフィラメントで構成されていました。四塩化ウランはフィラメントによってイオン化され、0.04インチ×2インチ（1.0×50.8 mm）のスロットを通って真空チャンバーに送られました。その後、磁石を使用してイオンビームを180°偏向しました。濃縮されたビームと枯渇したビームはコレクターに送られた。^{[ 21 ] [ 22 ]} 

1941年12月2日、真珠湾攻撃によって米国が第二次世界大戦に参戦するわずか数日前にカルトロンが初めて稼働したとき、コレクターには5マイクロアンペア（μA）のウランビーム強度が照射された。真空チャンバー内の空気分子の影響に関するローレンスの直感は確認された。1942年1月14日に50μAのビームで9時間運転したところ、ウラン235が25%濃縮されたウランが18マイクログラム（μg）生成され、これはニーアが生成した量の約10倍であった。2月までに、技術の改良により1,400μAのビームを生成できるようになった。その月、30%に濃縮された75μgのサンプルが英国とシカゴの冶金研究所に送られた。^{[ 22 ]}

他の研究者も電磁気による同位体分離を研究した。プリンストン大学では、ヘンリー・D・スミスとロバート・R・ウィルソンが率いるグループがアイソトロンと呼ばれる装置を開発した。クライストロンを使用することで、磁気ではなく高電圧の電気を使って同位体を分離することができた。^{[ 23 ]}研究は1943年2月まで続いたが、カルトロンの成功が大きかったため、研究は中止され、チームは他の任務に異動した。^{[ 18 ]}コーネル大学では、ロイド・P・スミスの指導の下、ウィリアム・E・パーキンスとA・セオドア・フォレスターを含むグループが放射状磁気分離器を考案した。彼らはビームが予想以上に精密であることに驚き、ローレンスと同様に、真空チャンバー内の空気によるビームの安定化の結果であると推測した。1942年2月、彼らのチームはバークレーでローレンスのチームと統合された。^{[ 24 ] [ 25 ]}

このプロセスは機能することが実証されたものの、試作品を現場でテストするにはまだかなりの努力が必要だった。ローレンスは、デビッド・ボーム^{[ 26 ]} 、エドワード・コンドン、ドナルド・クックシー^{[ 27 ]}、A・セオドア・フォレスター^{[ 28 ]} 、アーヴィング・ラングミュア、ケネス・ロス・マッケンジー、フランク・オッペンハイマー、J・ロバート・オッペンハイマー、ウィリアム・E・パーキンス、バーナード・ピーターズ、ジョセフ・スレピアン^{[ 27 ]}を含む物理学者のチームを結成し、問題に取り組んだ。 1943年11月には、オリファント率いる英国調査団が加わり、オーストラリアの物理学者ハリー・マッセイとエリック・バーホップ、ジョーン・カランやトーマス・アリボーンなどの英国物理学者も参加した^{[ 29 ] [ 30 ]}。

ローレンスはバークレーで大型サイクロトロンを建設中だった。これは184インチ（470cm ）の磁石を備えたものだった。^{[ 31 ]}これはカルトロンに改造され、1942年5月26日に初めて稼働した。^{[ 32 ]} 37インチ版と同様に、上から見ると巨大なCのように見えた。オペレーターは開口部に座り、そこから温度を調節したり、電極の位置を調整したり、稼働中にエアロックを通して部品を交換したりすることもできた。新しく、より強力なカルトロンは濃縮ウランの製造には使用されず、複数のイオン源を用いた実験に使用された。これはコレクターの数を増やすことを意味したが、スループットは倍増した。^{[ 33 ] [ 34 ]} 

問題は、ビームが互いに干渉し、ハッシュと呼ばれる一連の振動が発生することでした。干渉を最小限に抑える配置が考案され、1942 年 9 月に、かなり良好なビームが生成されました。ロバート オッペンハイマーとスタン フランケルは、磁場の均一性を調整するために使用される装置である磁気シムを発明しました。 ^{[ 35 ]}これらは、真空タンクの上部と下部にボルトで固定された幅約3 フィート (1 m)の鉄板でした。シムの効果は、イオン ビームを集中させるのに役立つように磁場をわずかに増加させることでした。シムの研究は 1943 年まで続けられました。^{[ 33 ] [ 34 ]}カルトロンの主な特許は、材料を分離する方法と装置(ローレンス)、^{[ 36 ]}磁気シム(オッペンハイマーとフランケル)、^{[ 35 ]}およびカルトロン システム(ローレンス) でした。^{[ 37 ]} 

バーホップとボームは後に磁場中の放電の特性を研究し、これは今日ボーム拡散として知られている。彼らの磁気閉じ込め下でのプラズマの特性に関する論文は、戦後の世界で制御核融合の研究に利用されることになる。^{[ 38 ]}その他の技術的な問題はよりありふれたものであったが、重要性は劣らなかった。ビームの強度は低かったものの、何時間も運転するとコレクターが溶けてしまう可能性があった。そのため、コレクターとタンクライナーに水冷システムが追加された。真空タンク内部に凝縮する「汚れ」を洗浄する手順が開発された。特に問題となったのは、スリットが「汚れ」で詰まることで、イオンビームの焦点がずれたり、完全に停止したりすることであった。^{[ 39 ]}

化学者たちは四塩化ウラン（ UCl₄）を大量に生産する方法を見つけなければならなかった。₄ ）酸化ウランから。 ^{[ 40 ]}（ニーアは臭化ウランを使用していた。） ^{[ 41 ]}当初、彼らは水素を用いて三酸化ウラン（UO₂）₃ )二酸化ウラン(UO₂)₂ )はその後四塩化炭素(CCl4)₄）四塩化ウランを製造する。チャールズ・A・クラウスは、高温高圧下で酸化ウランと四塩化炭素を反応させる、より優れた大規模生産法を提案した。これにより五塩化ウラン（UCl₅）₅）およびホスゲン（COCl₂ )四塩化ウランは、気体拡散法で使用される六フッ化ウランほど有害ではないものの吸湿性が五酸化リン（P5O4）で乾燥させたグローブボックス内で作業を行う必要があった。₄ O₁₀ )第一次世界大戦中に化学兵器として8万5千人の死者を出した致死性ガスであるホスゲンが存在するため、化学者はそれを取り扱う際にガスマスクを着用する必要があった。 ^{[ 40 ]}

 電磁プロセスの研究開発に費やされた1,960 万ドルのうち、1,800 万ドル (92 パーセント) はバークレーの放射線研究所で費やされ、ブラウン大学、ジョンズ ホプキンス大学、パデュー大学、およびテネシー イーストマン社でさらなる研究が行われた。^{[ 42 ]} 1943 年、重点は研究から開発、エンジニアリング、およびテネシー州オークリッジのクリントンエンジニア ワークスで生産施設を運営する労働者の訓練へと移った。1944 年半ばまでに、放射線研究所には 1,200 人近くが働いていた。^{[ 43 ]}

電磁プロセスにおける大きな進歩の多くは、ローレンスのリーダーシップスタイルによるものと言える。彼の大胆さ、楽観主義、そして熱意は伝染するほどだった。彼のスタッフは長時間働き、カリフォルニア大学の管理者はプロジェクトの内容が分からなかったにもかかわらず、煩雑な手続きを簡素化した。政府関係者は、戦争の結果に影響を与えるのに十分な時期に原子爆弾を開発することが現実的な可能性として認識し始めた。プロジェクトを監督していたOSRDのディレクター、ヴァネヴァー・ブッシュは1942年2月にバークレーを訪れ、そこの雰囲気を「刺激的」で「爽快」だと感じた。^{[ 44 ]} 1942年3月9日、彼はフランクリン・D・ルーズベルト大統領に、ロバート・オッペンハイマーによる、純粋なウラン235の球体の臨界質量が2.0～2.5キログラムであるという新たな推定に基づき、1943年半ばまでに爆弾に必要な量の物質を生産できる可能性があると報告した。^{[ 45 ] [ 46 ]}

184 インチ磁石を用いた実験により、XA と呼ばれるプロトタイプのカルトロンが構築された。これは、カルトロンタンクを横並びに配置できる水平磁場を持つ長方形の 3 コイル磁石と、それぞれに 2 つのソースを備えた 4 つの真空タンクで構成されていた。^{[ 47 ]} 1942 年 6 月 19 日に S-1 ウラン委員会を引き継いだ S-1 執行委員会の 6 月 25 日の会議では、経済性と安全保障上の理由から、マンハッタン計画の他のウラン分離施設が設置される予定のオーク リッジに電磁プラントを建設するという提案があった。ローレンスは、電磁分離プラントをバークレーにもっと近い場所に設置したいという希望から反対した。^{[ 48 ]}カリフォルニア州のシャスタダム地域は、ローレンスが反対を取り下げた 1942 年 9 月まで電磁プラントの候補地として検討され続けた。^{[ 49 ]} 6月25日の会議では、ストーン＆ウェブスター社が設計およびエンジニアリングの主契約業者として指定された。^{[ 50 ]}

陸軍は1942年9月17日にマンハッタン計画の責任を引き継ぎ、レスリー・R・グローブス・ジュニア准将 が責任者となった^{[ 51 ]}が、陸軍が正式にOSRDからカリフォルニア大学との契約を引き継いだのは1943年5月1日だった^{[ 52 ]}。トーマス・T・クレンショー・ジュニア少佐は1942年8月にカリフォルニア地区技師となり、すぐに後任となったハロルド・A・フィドラー大尉が助手となった。クレンショーはカリフォルニア大学のドナー研究所に事務所を構えた^{[ 53 ] [ 54 ]} 。 1942年9月、S-1執行委員会は、5基のタンクを備えたパイロットプラントと、200基のタンクを備えた生産プラントを建設することを勧告した^{[ 51 ] 。}

1942年10月から1943年11月にかけて、グローブスはバークレーの放射線研究所に毎月訪問した。^{[ 46 ]}報告書によると、気体拡散プラントやプルトニウム生産原子炉の代替案と比較して、電磁プラントは建設に時間がかかり、より希少な材料が必要となり、運転にはより多くの人員と電力が必要になる。したがって、1キログラムの核分裂性物質のコストははるかに高くなる。一方、代替プロセスは依然としてかなりの技術的障害に直面していたが、電磁プロセスは機能することが証明されており、すぐに核分裂性物質の生産を開始できる段階的に建設することができた。^{[ 55 ]}グローブスは11月14日にパイロットプラントを中止し、生産プラントを直ちに進めることにした。^{[ 56 ]}

放射線研究所は年末までに生産プラントの予備設計をストーン＆ウェブスターに送付したが、重要な問題が1つ未解決のまま残っていた。オッペンハイマーは兵器級ウランは純度90％のウラン235でなければならないと主張した。エドワード・ロフグレンとマーティン・カメンは、これは第2段階の濃縮なしには達成できないと考えた。^{[ 39 ]}この2段階はアルファとベータとして知られるようになった。^{[ 57 ]} 1943年3月、グローブスは5つのアルファ・レーストラックと2つのベータ・レーストラックの建設を承認した。9月には、アルファIIとして知られるようになった4つのアルファ・レーストラックと、その製品を処理するための2つのベータ・レーストラックの建設を承認した。^{[ 39 ] [ 58 ]}

オークリッジの電磁プラント（コードネームY-12）の建設は1943年2月18日に開始された。この施設は最終的に9つの主要なプロセス建屋と200のその他の建造物で構成され、床面積は約80エーカー（32ヘクタール）に及ぶ。オークリッジ町の南西にあるベア・クリーク渓谷の825エーカー（334ヘクタール）の敷地は、周囲の尾根線が大規模な爆発や核事故を封じ込める可能性があるという期待から選ばれた。^{[ 59 ]}地盤の問題により、掘削作業員は施設内の重機に適切な基礎を提供するために、より多くの爆破と掘削を行う必要があった。^{[ 60 ]}  

あらゆる種類の物資と材料が運び込まれた。電気機器2,157台、重機1,219台、木材5,389台、パイプと継手1,407台、鋼材1,188台、バルブ257台、溶接電極11台。レーストラックには85,000本の真空管が必要だった。可能な限り既製品の部品が使用されたが、カルトロンの部品の多くは特注品だった。^{[ 61 ]} 2つの購買部門が設立され、1つは施設設備用にボストンのストーン＆ウェブスターの近くに、もう1つは建設資材用にオークリッジに置かれた。^{[ 62 ]}

マンハッタン地区の主任技師であるジェームズ・C・マーシャル大佐と副官のケネス・D・ニコルズ中佐は、電磁同位体分離プロセスには5,000ショートトン（4,500トン）の銅が必要であることを発見したが、銅は深刻な供給不足に陥っていた。しかし、彼らは銅と銀を11対10の比率で銀に置き換えることができることに気づいた。1942年8月3日、ニコルズは財務次官のダニエル・W・ベルと会談し、ウェストポイント地金保管所から銀地金を移送するよう要請した。ニコルズは後にその時の会話を次のように回想している。

彼は銀の移送手順を説明し、「どれくらい必要ですか？」と尋ねた。私は「6千トンです」と答えた。「それは何トロイオンスですか？」と彼は尋ねた。実際、私はトンをトロイオンスに換算する方法を知らなかったし、彼も知らなかった。少し苛立ちながら、私は「何トロイオンス必要かはわかりませんが、6千トン必要であることはわかっています。これは明確な量です。量をどのように表現しても、何が違うのですか？」と答えた。彼はやや憤慨して、「若者よ、君は銀をトンで考えるかもしれないが、財務省は常に銀をトロイオンスで考えるのだ」と答えた。^{[ 63 ]}

最終的に、14,700ショートトン（13,300トン、4億3,000万トロイオンス）の銀が使用され、^{[ 64 ]}当時6 億ドル以上の価値があった。^{[ 65 ]}ニコルズは財務省に毎月会計報告を提出しなければならなかった。1,000トロイオンス（31kg ）の銀の延べ棒は、警備の下、ニュージャージー州カータレットの国防工場会社に運ばれ、そこで円筒形のビレットに鋳造され、その後、ニュージャージー州ベイウェイのフェルプス・ドッジに運ばれ、そこで厚さ0.625インチ（15.9mm ）、幅3インチ（7.6cm ） 、長さ40フィート（12m ）の帯状に押し出された。約258台の貨車に積まれたものが、警備の下、鉄道でウィスコンシン州ミルウォーキーのアリス・チャルマーズに輸送され、そこで磁気コイルに巻き付けられ、溶接されたケースに密封された。^{[ 66 ]}最終的に、銀は無警備の貨車でクリントン工兵工場に運ばれた。そこで、銀の取り扱いに関する特別な手順が設けられた。銀に穴を開ける必要がある場合は、削り屑を回収できるように紙の上で穴を開けた。戦後、すべての機械が解体され、清掃され、機械の下の床板が剥がされて焼却され、微量の銀が回収された。最終的に、155,645.39トロイオンス（4,841.113 kg）、つまり0.036%未満が失われた。^{[ 65 ] [ 67 ] [ 68 ]} 1970年5月、最後の67ショートトン（61トン、2,000,000トロイオンス）の銀が銅と交換され、財務省に返還された。^{[ 69 ]}     

2つのタンクと3つのコイルを備えたXAXレーストラックは、1943年8月に作業員の訓練準備が整った。バグが発見されたが、積極的に追跡されなかった。最初のアルファプロセスビルディング9201-1は1943年11月1日に完成した。11月に予定通り最初のレーストラックをテストのために起動したとき、磁石の力のために14トンの真空タンクが最大3インチ（8cm ）ずれてしまい、よりしっかりと固定する必要があった。磁気コイルがショートし始めたときに、より深刻な問題が発生した。12月にグローブスは磁石を分解するように命じ、内部に大量の錆が見つかった。湿気もそれ自体問題であり、ワイヤーの巻き方がきつすぎたことも問題だった。グローブスはレーストラックを解体し、磁石を工場に送り返して洗浄して巻き直すように命じた。^{[ 62 ] [ 70 ]}これらの問題の再発を防ぐために、調理と衛生に関する厳格な基準が設けられた。^{[ 71 ]} 

ベータトラックのトレーニングは、1943 年 11 月に XAX から XBX トレーニングおよび開発レーストラックに移管された。^{[ 72 ]} 2 番目のアルファ I レーストラックは 1944 年 1 月に運用開始された。最初のベータレーストラックと、修理された 3 番目のおよび最初のアルファレーストラックは 1944 年 3 月に運用開始され、4 番目のアルファレーストラックは 1944 年 4 月に運用開始された。3 番目の建物 9201-3 には、いくつかの変更が加えられた 5 番目のレーストラックがあり、アルファ I 1/2として知られていた。これは 1944 年 6 月 3 日に運用開始された。アルファおよびベータ化学棟 9202 および 9203 の工事は 1943 年 2 月に開始され、9 月に完了した。ベータプロセス建屋9204-1の工事は1943年5月に始まり、1944年3月13日には稼働準備が整ったが、完成したのは1944年9月であった。^{[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]}

グローブスは1943年9月にアルファIIを承認した。これは、2つの新しいアルファプロセスビル、9201-4と9201-5、もう1つのベータ、9204-2、アルファ化学ビルの増築、および新しいベータ化学ビル9206で構成されていた。9206が開設されると、古いベータ化学ビル9203は研究所に転用された。新しいアルファIIプロセスビルの工事は1943年11月2日に開始され、最初のレーストラックは1944年7月に完成し、1944年10月1日までに4つすべてが稼働した。アルファIIのレーストラックは楕円形ではなく直線状に配置されていたが、それでもレーストラックと呼ばれていた。^{[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]}アルファ・カルトロンは全部で864基あり、96基ずつ9つのレーストラックに配置されていた。ベータ・レーストラックにはそれぞれ36基のカルトロンしかなく、合計288基のカルトロンがあったが、実際に稼働したのはそのうち216基だけだった。^{[ 57 ]}

新しいベータプロセス棟の建設は1943年10月20日に開始された。設備の設置は1944年4月1日に開始され、1944年9月10日には使用可能となった。3番目のベータプロセス棟である9204-3は、K-25ガス拡散プラントの出力を処理するために1944年5月に認可された。これは1945年5月15日に完成した。4番目のベータプロセス棟である9204-4は、1945年4月2日に認可され、1945年12月1日までに完成した。9207グループとして知られる新しいアルファ化学棟群は1944年6月に着工されたが、完成前の1945年6月に工事は中断された。これらの主要な建物の他に、事務所、作業場、倉庫、その他の建物があった。暖房用の蒸気プラントが2つ、電力用の発電所が1つあった。^{[ 75 ] [ 73 ]}

アルファ レーストラックは、96 個のアルファ カルトロン タンクを収容できる XA カルトロンの 24 倍拡大版でした。カルトロンは直立しており、内側と外側の機械のペアで互いに向き合うように配置されていました。磁気損失を最小限に抑え、鋼材の消費を節約するために、アセンブリは楕円形に湾曲しており、長さ122 フィート (37 m) 、幅77 フィート (23 m)、高さ15 フィート (4.6 m)のレーストラックの形をした閉じた磁気ループを形成していました。これがその名前の由来です。^{[ 39 ]} 2 つのアルファ I 建屋、9201-1 と 9201-2 にはそれぞれ 2 つのレーストラックがありましたが、アルファ I 1 / 2、9201-3には 1 つしかありませんでした。ベータ レーストラックはより小さく、直線状で、生産よりも回収に最適化されており、プロセスビンは 96 個ではなく 36 個でした。4 つのアルファ II レーストラックも直線状でした。彼らは多くの改良を取り入れたが、最も重要なのは、光源が2つではなく4つになったことである。^{[ 73 ] [ 75 ]}また、磁石と真空システムも改良された。^{[ 76 ]}   

テネシー・イーストマンは、通常のコストプラス固定料金方式でY-12の管理を請け負い、最初の7つのレーストラックについては月額22,500ドル、レーストラック1つにつき7,500ドル、それ以降のレーストラック1つにつき4,000ドルの料金が支払われた。従業員はノックスビル地域で募集された。典型的な採用者は、地元の高校を卒業したばかりの若い女性だった。トレーニングは当初テネシー大学で行われた。1943年4月から9月にかけてトレーニングはバークレーに移され、そこでXAカルトロンとアルファレーストラックの1:16スケールモデルを使用して行われた。その後、XAXカルトロンが利用可能になるとオークリッジに移された。すべてのアルファIIカルトロンが利用可能になると、約2,500人のオペレーターが必要になる。 Y-12のテネシー・イーストマン社の従業員数は、1944年半ばの1万人から1945年8月には2万2482人に急増した。安全上の理由から、研修生には操作を教えられた機器の目的が知らされていなかった。^{[ 77 ] [ 78 ]}

カルトロンは当初、バグを除去して妥当な稼働率を達成するためにバークレーの科学者によって操作されていた。その後、テネシー・イーストマンのオペレーターが引き継いだ。ニコルズはユニットの生産データを比較し、若い「田舎者」の女性オペレーターが博士号取得者よりも生産量が多いことをローレンスに指摘した。彼らは生産競争に同意し、ローレンスは負けた。これは「カルトロンガールズ」（当時はキュービクルオペレーターと呼ばれていた）とその監督者の士気を高めることになった。女性たちは兵士のように理由を問わないように訓練されていたが、「科学者たちはダイヤルのわずかな変動の原因を時間をかけて調査せずにはいられなかった」。^{[ 79 ]}

しばらくの間、カルトロンは一連の深刻な故障や機器の不具合に悩まされ、予備部品の不足によって状況はさらに悪化した。アルファIIのレーストラックはより信頼性が高いだろうという期待は、絶縁体の故障に悩まされたため、すぐに消え去った。これらの問題は徐々に克服された。マンハッタン計画のロスアラモス研究所への濃縮ウランの最初の出荷は1944年3月に行われ、ウラン235が13～15パーセントに濃縮されたアルファ製品で構成されていた。爆弾には役立たなかったが、濃縮ウランの実験には緊急に必要とされていた。アルファ製品の最後の出荷は1944年5月11日に行われた。1944年6月7日、Y-12はウラン235が最大89パーセントに濃縮された兵器級ベータ製品の最初の出荷を行った。 ^{[ 77 ] [ 80 ]}

大きな問題は、原料と製品の損失でした。原料の 5,825 分の 1 だけが完成品になりました。約 90 パーセントは、原料ボトルまたは真空タンクに飛び散りました。この問題は、ベータカルトロンの濃縮原料で特に深刻でした。炭素受器ライナーを焼却して中のウランを回収するなど、製品を回収するために並々ならぬ努力がなされました。あらゆる努力にもかかわらず、アルファ生成物の約 17.4 パーセントとベータ生成物の 5.4 パーセントが失われました。マンハッタン計画のエイムズ研究所のフランク・スペディングと英国ミッションのフィリップ・バクスターが、回収方法の改善について助言するために派遣されました。 ^{[ 81 ]}ホスゲンへの曝露による作業員の死亡も、より安全な製造プロセスの探求を促しました。^{[ 40 ]}

1945年2月、 S-50液体熱拡散プラントから、わずかに濃縮された1.4%ウラン235原料が到着し始めた。S-50からの製品の出荷は4月に中止され、代わりにK-25に供給された。^{[ 82 ]} 1945年3月、Y-12はK-25から5%に濃縮された原料の受け入れを開始した。^{[ 83 ]}これらのプラントの生産物は六フッ化ウラン（ UF6）の形であった。₆ ) これは三酸化ウランに変換され、その後、通常のプロセスで四塩化ウランに変換されました。 ^{[ 84 ]} 1945 年 8 月 5 日、K-25 は 23 パーセントに濃縮された原料の生産を開始し、ベータ レーストラックに直接供給するのに十分な量となりました。残りのアルファ生成物は、その後 K-25 に供給されました。1945 年 9 月までに、カルトロンは平均濃縮度 84.5 パーセントの製品を 88 キログラム生産し、ベータ レーストラックは年末までにさらに 95 パーセントに濃縮された 953 キログラムを生産しました。 ^{[ 83 ]}カルトロンからの濃縮ウランは、1945 年 8 月に広島への原爆投下リトルボーイ原子爆弾の核分裂性成分を提供しました。 ^{[ 39 ] [ 85 ]}

戦争が終わると、アルファトラックは1945年9月4日に操業を一時停止し始め、9月22日に完全に操業を停止した。最後の2つのベータトラックは1945年11月と12月に本格的に稼働し、K-25と新しいK-27ガス拡散プラントからの原料を処理した。^{[ 87 ]} 1946年5月までに、ガス拡散プラントは偶然に臨界量を生成することなく、単独でウランを完全に濃縮できることが研究で示唆された。^{[ 88 ]}試験でこれが事実であることが実証された後、グローブスは1946年12月に1つを除くすべてのベータトラックの停止を命じた。^{[ 89 ]}

1946年12月31日のマンハッタン計画終了までの電磁プロジェクトの総費用は6億7300万ドル（2025年換算で111億ドルに相当）であった。^{[ 86 ]}  

Y-12の従業員数は、1945年8月21日の戦時中のピーク時の22,482人から1949年には1,700人未満に減少した。^{[ 69 ]} 9731号棟のXAXおよびXBXトレーニングトラックと9204-3号棟のBeta 3レーストラックを除いて、すべてのカルトロンが撤去され解体された。^{[ 90 ] [ 91 ]} 1947年、オークリッジ国立研究所（ORNL）所長のユージン・ウィグナーは、物理学実験用の同位体を生成するためにベータカルトロンを使用する許可を原子力委員会に求めた。許可が下り、幅広い同位体が生成された。ベータカルトロンからのリチウム6は、熱核兵器の研究に使用された。他の多くの同位体は、平和的な科学および医療目的で使用された。^{[ 92 ]}ベータ3の実験装置は1950年3月にオークリッジ国立研究所（ORNL）に移管された。 ^{[ 91 ]} 1950年代半ばまでに、ベータカルトロンはオスミウムを除くすべての天然安定同位体を生成したが、オスミウムの生成は1960年4月まで待たなければならなかった。^{[ 93 ]}カルトロンは1998年まで同位体の生成を続けた。 ^{[ 94 ]} 2015年現在それらはまだ待機状態にある。^{[ 95 ]}

• ウィキメディア・コモンズにあるカルトロン関連のメディア
• カルトロン社のオペレーター（グラディス・オーウェンズ）に関するサイトへのリンクと、彼女が仕事をしている有名な写真。