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シカゴ・パイル1号（CP-1）は、最初の人工原子炉でした。1942年12月2日、エンリコ・フェルミが率いる実験中に、CP-1で人類初の自己持続的な核連鎖反応が開始されました。原子炉の秘密裏の開発は、第二次世界大戦中に連合国が核兵器を開発しようとしたマンハッタン計画における最初の主要な技術的成果でした。シカゴ大学の冶金研究所によって開発されたCP-1は、元のスタッグ・フィールドの西側の観覧席の下に建設されました。プロジェクトの民間および軍の指導者たちは、壊滅的な暴走反応の可能性について懸念を抱いていましたが、フェルミの安全計算を信頼し、人口密集地で実験を実施できると判断しました。フェルミは原子炉を「黒いレンガと木材の粗末な山」と表現しました。[ 5 ]
一連の試みの後、1942 年 11 月に、フェルミの他に、レオ・シラード(以前に非核分裂連鎖反応のアイデアを考案していた)、レオナ・ウッズ、ハーバート・L・アンダーソン、ウォルター・ジン、マーティン・D・ウィテカー、ジョージ・ワイルなどの科学者を含む 30 名ほどのチームによって、原子炉が完成しました。原子炉は天然ウランを使用しました。臨界に達するには、中性子減速材として黒鉛とともに、非常に大量の材料が必要でした。原子炉には、 360ショートトン(330トン)の重量の超高純度黒鉛ブロック 45,000 個が収められており、 5.4 ショートトン (4.9 トン)のウラン金属と45 ショートトン (41 トン)の酸化ウランが燃料として使用されました。その後のほとんどの原子炉とは異なり、この原子炉はわずか0.5ワット程度の非常に低い出力で運転されていたため、放射線遮蔽装置や冷却システムは備えていなかった。しかしながら、この原子炉の成功は、連鎖反応を制御し、核反応を研究し、実用化することを可能にした。
原子炉開発のきっかけは、ナチス・ドイツが科学的に相当な優位性を持っているという懸念だった。シカゴ・パイル1号機による連鎖反応の成功は、連合国による核エネルギーの軍事利用の実現可能性と、ナチス・ドイツが核兵器製造に成功する危険性の現実を初めて鮮明に示した。それまで、臨界質量の推定は粗雑な計算であり、仮想爆弾の大きさについて桁違いの不確実性があった。黒鉛を減速材として使用することに成功したことで、連合国の取り組みは進展したが、ドイツの計画は、希少で高価な重水を減速材として使用しなければならないという考えもあって停滞した。ドイツは、減速材としての使用可能性をテストした黒鉛サンプル中のホウ素とカドミウムの不純物の重要性を考慮に入れていなかった。一方、レオ・シラードとエンリコ・フェルミは、最初のテストが失敗した後、黒鉛の最も一般的な汚染物質について供給業者に問い合わせていた。そのため、彼らは次の実験では、それらが全く含まれていない黒鉛を使用するようにした。結果として、ホウ素とカドミウムはどちらも強力な中性子吸収剤であることが判明した。
1943年、CP-1はシカゴ近郊の戦時研究施設であるサイトAに移設され、シカゴ・パイル2（CP-2）として再構成された。そこで1954年まで研究目的で運用された後、解体され埋め立てられた。スタッグ・フィールドの観客席は1957年8月に取り壊され、現在では実験跡地には記念広場が設けられ、国定歴史建造物およびシカゴのランドマークとなっている。
化学連鎖反応の概念は、1913年にドイツの化学者マックス・ボーデンシュタインによって初めて提唱されました。これは、2つの分子が反応して最終反応生成物だけでなく、元の物質とさらに反応してさらに多くの反応を引き起こす不安定な分子も生成する状況を指します。[ 6 ]核連鎖反応の概念は、1933年9月12日にハンガリーの科学者レオ・シラードによって初めて仮説として提唱されました。 [ 7 ]シラードは、核反応によって中性子または二中性子が生成され、それがさらに核反応を引き起こす場合、そのプロセスは自己永続的になる可能性があることに気づきました。シラードは、大量の中性子を生成するより軽い既知の同位体の混合物を使用することを提案し、燃料としてウランを使用する可能性も検討しました。 [ 8 ]彼は翌年、単純な原子炉のアイデアの特許を申請しました。[ 9 ] 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、 [ 10 ] [ 11 ]彼らの協力者であるリーゼ・マイトナーとオットー・フリッシュによってその理論的説明（および命名）がなされ、[ 12 ] [ 13 ]ウランで核連鎖反応を起こす可能性が開かれたが、最初の実験は成功しなかった。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
連鎖反応が起こるためには、核分裂するウラン原子が反応を継続させるために追加の中性子を放出する必要があった。ニューヨークのコロンビア大学で、イタリアの物理学者エンリコ・フェルミは、アメリカ人のジョン・ダニング、ハーバート・L・アンダーソン、ユージン・T・ブース、G・ノリス・グラソー、フランシス・G・スラックと協力し、1939年1月25日に米国で最初の核分裂実験を行った。[ 18 ] [ 19 ]その後の研究により、高速中性子が実際に核分裂によって生成されることが確認された。[ 20 ] [ 21 ]シラードは、コロンビア大学物理学科長のジョージ・B・ペグラムから3か月間研究所を使用する許可を得て、ウォルター・ジンを説得して共同研究者になった。[ 22 ]彼らはコロンビア大学のプーピンホールの7階で、ラジウムベリリウム線源を用いてウランに中性子を照射するという簡単な実験を行った。彼らは天然ウランで顕著な中性子増倍を発見し、連鎖反応が起こり得ることを証明した。[ 23 ]
フェルミとシラードは、原子爆弾には膨大な量のウランが必要になると依然として考えており、そのため制御された連鎖反応の生成に集中した。[ 24 ]フェルミはアルフレッド・OC・ニーアにウラン同位体を分離して核分裂性成分を特定するよう促し、1940年2月29日、ニーアは最初のウラン235サンプルを分離した。これはコロンビア大学のダニングに郵送された後、分離された核分裂性物質であることが確認された。[ 25 ]フェルミはイタリアのローマで研究していたとき、中性子と中性子減速材の衝突によって中性子が減速し、それによってウラン原子核に捕獲されやすくなり、ウランが核分裂することを発見した。[ 26 ] [ 27 ]シラードはフェルミに、減速材としてグラファイトの形で炭素を使用することを提案した。バックアッププランとして、彼は重水を検討した。これには、通常の水素のように中性子を吸収しない重水素が含まれており、炭素よりも優れた中性子減速材であったが、重水は高価で製造が難しく、数トン必要になる可能性があった。 [ 28 ]フェルミは、核分裂するウラン原子核が平均して1.73個の中性子を生成すると推定した。これは十分であったが、損失を最小限に抑えるために慎重な設計が必要であった。[ 29 ] [ 30 ]（今日では、核分裂するウラン235原子核1個あたりに放出される中性子の平均数は約2.4個であることが知られている）。[ 31 ]
シラードは、グラファイト約50ショートトン（45トン）とウラン5ショートトン（4.5トン）が必要になると見積もった。 [ 28 ] 1940年12月、フェルミとシラードはナショナル・カーボンのハーバート・G・マクファーソンとビクター・C・ハミスターと会い、グラファイト中の不純物の存在の可能性と、商業的に生産されたことのない純度のグラファイトの調達について話し合った。[ 32 ]化学会社であるナショナル・カーボンは、当時グラファイトの主要な商業用途であった炭素アークランプの研究のために、物理学者であるマクファーソンを雇うという当時としては異例の措置をとった。炭素アークの分光法の研究のおかげで、マクファーソンは、その濃度と中性子を吸収する親和性の両方から、主要な関連汚染物質はホウ素であることを知っており、[ 32 ]シラードの疑念を裏付けた。[ 33 ]さらに重要なことに、マクファーソンとハミスターは、十分な純度の黒鉛を製造する技術を開発できると信じていた。フェルミとシラードがマクファーソンとハミスターに相談していなかったら、ドイツ人のように、黒鉛は中性子減速材として使用するのに不向きだと誤って結論付けていたかもしれない。[ 33 ]
その後の2年間で、マクファーソン、ハミスター、ラウクリン・M・カリーは、低ホウ素含有量の黒鉛を大量生産するための熱精製技術を開発した。[ 32 ] [ 34 ]結果として得られた製品は、ナショナル・カーボン社によってAGOT黒鉛（「アチソン黒鉛常温」）と命名された。中性子吸収断面積が4.97 mbarnであるAGOT黒鉛は、最初の真の核グレード黒鉛とみなされている。[ 35 ] 1942年11月までに、ナショナル・カーボン社は255ショートトン（231 t）のAGOT黒鉛をシカゴ大学に出荷し、 [ 36 ]シカゴ・パイル1の建設に使用される黒鉛の主要供給源となった。[ 37 ]
シラードは、ドイツの核兵器計画について警告し、核兵器の可能性を説明し、核兵器の開発につながる可能性のある計画の開発を促す機密書簡を米国大統領フランクリン・D・ルーズベルトに提出した。ユージン・ウィグナーとエドワード・テラーの協力を得て、1939年8月に旧友で協力者のアルバート・アインシュタインに接触し、書簡に署名するよう説得し、提案にアインシュタインの権威を与えた。[ 38 ]アインシュタインとシラードの書簡により、米国政府による核分裂の研究が設立された。[ 39 ]科学者で米国国立標準局長のライマン・J・ブリッグスを委員長とするウラン諮問委員会が設立された。1939年10月21日の最初の会合には、シラード、テラー、ウィグナーが出席した。科学者たちは米陸軍と海軍を説得し、シラードが実験に必要な物資、特にグラファイトを購入するための資金として6,000ドルを提供させた。[ 40 ]
1941年4月、国防研究委員会（NDRC）は、シカゴ大学のノーベル賞受賞物理学教授であるアーサー・コンプトンを責任者とする特別プロジェクトを立ち上げ、ウラン計画について報告させた。1941年5月に提出されたコンプトンの報告書は、放射性兵器、船舶用原子力推進装置、ウラン235または最近発見されたプルトニウムを使用した核兵器の開発の可能性を予見していた。[ 41 ] 10月には、原子爆弾の実用性に関する別の報告書を執筆した。この報告書のために、彼はフェルミと協力してウラン235の臨界質量の計算を行った。また、ハロルド・ユーリーとウラン濃縮の可能性についても議論した。[ 42 ]
ニールス・ボーアとジョン・ホイーラーは、奇数の原子質量数を持つ重同位体は核分裂性であると理論づけていた。もしそうであれば、プルトニウム239は核分裂性である可能性が高い。[ 43 ] 1941年5月、エミリオ・セグレとグレン・シーボーグは、カリフォルニア大学バークレー校の60インチ（150cm ）サイクロトロンで28μgのプルトニウム239を生成し、それがウラン235の1.7倍の熱中性子捕獲断面積を持つことを発見した。当時、サイクロトロンで生成されたプルトニウム239はごく微量であり、その方法で十分な量を生成することは不可能であった。[ 44 ]コンプトンは、原子炉でプルトニウムを生成する方法についてウィグナーと、また、そのプルトニウムをウランから分離する方法についてロバート・サーバーと議論した。 11月に提出された彼の報告書には、爆弾は実行可能であると記されていた。[ 42 ]
コンプトンの1941年11月の最終報告書にはプルトニウムについての言及はなかったが、アーネスト・ローレンスと最新の研究について話し合った後、コンプトンはプルトニウム爆弾も実現可能であると確信するようになった。12月、コンプトンはプルトニウム計画の責任者に任命された。[ 45 ]その目的は、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、原子爆弾を設計および製造することであった。[ 46 ] [ 43 ]成功した原子炉がまだ建設されていないにもかかわらず、科学者たちが追求すべきさまざまな種類の原子炉設計を決定するのはコンプトンの役割であった。[ 47 ]彼は、1943年1月までに制御された核連鎖反応を達成し、1945年1月までに原子爆弾を保有するというスケジュールを提案した。[ 46 ]
原子炉では、中性子生成率と中性子損失率（中性子吸収と中性子漏洩の両方を含む）が等しくなったときに臨界状態に達する。ウラン235原子が核分裂を起こすと、平均2.4個の中性子が放出される。 [ 31 ]反射のない均質な球形原子炉という最も単純なケースでは、臨界半径はおおよそ次のように計算された。
ここで、Mは中性子が吸収されるまでに移動する平均距離、kは平均中性子増倍率です。後続の反応では中性子はk倍に増幅され、第 2 世代の核分裂イベントではk 2 倍、第 3 世代ではk 3倍、といった具合になります。自己持続的な核連鎖反応が起こるためには、k は1 より少なくとも 3 または 4 パーセント大きくなければなりません。言い換えれば、k は、核分裂イベントの数が急速かつ指数関数的に増加する即発臨界閾値を超えずに 1 より大きくなければなりません。[ 48 ] [ 49 ]
フェルミは自身の装置を「パイル」と名付けた。エミリオ・セグレは後にこう回想している。
私はしばらくの間、この用語はボルタが電気エネルギー源という自身の偉大な発明を指すのにイタリア語のpilaという言葉を使ったのと同様に、核エネルギー源を指すのに使われているのだと思っていました。しかし、フェルミ本人から、単に一般的な英語のpileをheapの同義語として使っただけだと聞かされ、私は幻滅しました。驚いたことに、フェルミは自分のpileとボルタのpileの関係について考えたことがなかったようです。 [ 50 ]
フェルミは、S-1ウラン委員会から4万ドルの助成金を得て、さらに材料を購入し、1941年8月に、より小さな構造物でより大きな構造物が機能するかどうかをテストするために、臨界未満集合体の建設を計画し始めた。彼が建設を提案したいわゆる指数関数的パイルは、長さ8フィート（2.4メートル）、幅8フィート（2.4メートル） 、高さ11フィート（3.4メートル）であった。[ 51 ]これは、プピン物理学研究所に収まるには大きすぎた。フェルミは次のように回想している。
私たちは当時大学内で魔法を操れる人物だったディーン・ペグラムのところへ行き、大きな部屋が必要だと説明しました。彼はキャンパス内をくまなく探し、私たちも彼と一緒に暗い廊下や様々な暖房パイプの下などへ行き、この実験に適した場所を見学しました。そして最終的に、シャーマーホーン・ホールに大きな部屋が見つかりました。[ 52 ]
この原子炉は1941年9月に、4インチ×4インチ×12インチ（10cm×10cm×30cm ）の黒鉛ブロックと、酸化ウランを詰めたブリキ缶から作られた。缶は8インチ×8インチ×8インチ（20cm×20cm×20cm ）の立方体だった。酸化ウランを詰めた状態では、それぞれ約60ポンド（27kg）の重さになった。全部で288個の缶があり、それぞれが黒鉛ブロックで囲まれ、全体として立方格子構造を形成していた。ラジウム・ベリリウム中性子源が底部近くに設置された。酸化ウランは水分を除去するために加熱され、まだ熱いうちに振動台の上で缶に詰められた。その後、缶ははんだ付けで密閉された。作業員として、ペグラムはコロンビア大学のアメリカンフットボールチームの協力を得た。当時、フットボール選手が大学内で雑用をすることは慣例だった。彼らは重い缶を容易に扱うことができた。最終結果は、期待外れのk値0.87であった。[ 49 ] [ 53 ]
コンプトンは、コロンビア大学、プリンストン大学、シカゴ大学、カリフォルニア大学にチームがあると重複が多すぎて協力が足りないと感じ、研究を1か所に集中させることを決意した。誰も移転したくなく、皆が自分の場所を支持した。1942年1月、米国が第二次世界大戦に参戦した直後、コンプトンは自分の場所、シカゴ大学に決めた。そこでは大学当局の惜しみない支援が得られると確信していたからである。[ 54 ]シカゴは地理的にも中心地であり、科学者、技術者、施設は中西部の方が容易に利用できた。中西部はまだ戦争のために人材を奪われていなかったからである。[ 54 ]対照的に、コロンビア大学はハロルド・ユーリーとジョン・ダニングの下でウラン濃縮の研究に従事しており、3つ目の秘密プロジェクトを追加することに躊躇していた。[ 55 ]
シカゴへ出発する前に、フェルミのチームはコロンビア大学で実用炉を建設する最後の試みを行った。缶は中性子を吸収していたため、廃棄された。代わりに、ウラン酸化物を250 ℃（480 °F）に加熱して乾燥させ、黒鉛に開けられた長さ3インチ（7.6cm ） 、直径3インチ（7.6cm ）の円筒形の穴に押し込んだ。その後、炉全体を金属板をはんだ付けして缶状にし、内容物を水の沸点以上に加熱して水分を除去した。その結果、k値は0.918となった。[ 56 ]
シカゴでは、サミュエル・K・アリソンが、スタッグ・フィールドのスタンド下の、もともとラケットコートとして建設されたスペースに、長さ60フィート（18メートル）、幅30フィート（9.1メートル） 、高さ26フィート（7.9メートル）の、地面よりわずかに低い場所を見つけた。[ 57 ] [ 58 ]スタッグ・フィールドは、シカゴ大学が1939年にアメリカンフットボールを放棄して以来、ほとんど使われていなかったが、[ 48 ] [ 59 ]西スタンド下のラケットコートは、スカッシュやハンドボールをするためにまだ使われていた。レオナ・ウッズとアンソニー・L・ターケビッチは、 1940年にそこでスカッシュをした。激しい運動を目的としていたため、そのエリアは暖房がなく、冬は非常に寒かった。近くの北スタンドには、1階に2つのアイススケートリンクがあり、冷蔵設備はなかったが、冬に溶けることはほとんどなかった。[ 60 ]アリソンは、1942年にフェルミのグループが到着する前に、ラケットコートエリアを使用して7フィート（2.1メートル）の実験用杭を建設した。 [ 57 ]
アメリカ陸軍工兵隊は1942年6月に核兵器計画の指揮権を引き継ぎ、コンプトンの冶金研究所は後にマンハッタン計画と呼ばれるものの一部となった。[ 61 ]レスリー・R・グローブス・ジュニア准将は 1942年9月23日にマンハッタン計画の責任者となった。[ 62 ]彼は10月5日に初めて冶金研究所を訪れた。[ 63 ] 1942年9月15日から11月15日の間に、ハーバート・アンダーソンとウォルター・ジンの指揮下のグループがスタッグ・フィールドの支柱の下に16基の実験用杭を建設した。[ 64 ]
フェルミは、 kを最大化するために球形にした新しい原子炉を設計した。kは1.04程度になると予測され、それによって臨界が達成されると考えられた。[ 65 ]レオナ・ウッズは博士論文を完成させるとすぐに、三フッ化ホウ素中性子検出器の製作を任された。彼女はまた、アンダーソンがシカゴ南部の製材所で必要な4×6インチ（10×15cm ）の木材を大量に見つけるのを手伝った。[ 66 ]高純度グラファイトは主にナショナル・カーボンから、高純度二酸化ウランはミズーリ州セントルイスのマリンクロットから到着した。マリンクロットは現在、月30ショートトン（27トン）を生産している。 [ 67 ]新たに開発された技術の産物である金属ウランも大量に到着し始めた。[ 68 ]
6月25日、陸軍と科学研究開発局（OSRD）は、シカゴ近郊のアルゴンヌ森林にプルトニウム試験プラントの用地を選定した。これが「サイト A」として知られるようになった。8月にクック郡から1,025エーカー（415ヘクタール）がリースされたが[ 69 ] [ 70 ]、9月までに、提案された施設は用地に対して広すぎることが明らかになり、試験プラントは別の場所に建設することが決定された[ 71 ] 。臨界未満の杭はほとんど危険をもたらさなかったが、グローブスは、完全に機能する原子炉である臨界杭は、より人里離れた場所に設置するのが賢明だと考えた。フェルミの実験用杭を収容するためのアルゴンヌの建物の建設が開始され、10月20日に完成予定だった。労働争議のため、建設は予定より遅れ、フェルミの新しい杭の材料は、新しい建物が完成する前に届くことが明らかになった。 11月初旬、フェルミはスタッグ・フィールドの観客席の下に実験用の杭を建設するという提案を持ってコンプトンにやって来た。[ 72 ]
人口密集地域で臨界運転中の原子炉を建設するリスクは重大な問題であった。壊滅的な原子炉メルトダウンが発生し、米国の主要都市の1つが放射性核分裂生成物で覆われる危険性があったからである。しかし、システムの物理学によれば、暴走反応が発生した場合でも、原子炉は安全に停止できると示唆されていた。燃料原子が核分裂を起こすと、中性子が放出され、連鎖反応で他の燃料原子に衝突する。[ 72 ]中性子を吸収してから核分裂を起こすまでの時間はナノ秒単位で測定される。シラードは、この反応によって核分裂生成物が残り、それらも中性子を放出する可能性があるが、放出にはマイクロ秒から数分というはるかに長い時間がかかると指摘していた。核分裂生成物が蓄積する原子炉のような遅い反応では、これらの中性子は全中性子束の約3パーセントを占める。[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]
フェルミは、遅発中性子を利用し、出力を上げるにつれて反応率を注意深く制御することで、原子炉は核分裂反応からの即発中性子のみに依存する連鎖反応よりもわずかに低い核分裂率で臨界に達することができると主張した。これらの中性子の放出率は、ある程度前に起こる核分裂事象に依存するため、出力の急上昇と後の臨界事象の間には遅延がある。この時間により、運転員は余裕を持つことができる。即発中性子束の急上昇が見られた場合、暴走反応を引き起こすまでに数分ある。この期間中に中性子吸収材または中性子毒物が注入されると、原子炉は停止する。したがって、制御棒などの電気機械制御システムで反応を制御できる。コンプトンは、この遅延が十分な安全マージンを提供するのに十分であると考え、[ 72 ] [ 73 ]フェルミがスタッグ・フィールドにシカゴ・パイル1を建設することを許可した。[ 75 ] [ 73 ]
コンプトンは後に次のように説明した。
シカゴ大学の責任ある職員として、組織の規則に従って、私はこの件を上司に報告すべきだった。しかし、それは不公平だっただろう。ハッチンズ学長は、関連する危険性について独立した判断を下せる立場にはなかった。大学の福祉を考慮すれば、彼が出せる唯一の答えは「ノー」だっただろう。そして、その答えは間違っていただろう。[ 75 ]
コンプトンは11月14日のS-1執行委員会の会合でグローブスにその決定を伝えた。[ 73 ]グローブスは「コンプトンの提案の妥当性について深刻な懸念を抱いていた」ものの、介入しなかった。[ 76 ] NDRCの議長であるジェームズ・B・コナントは顔面蒼白になったと伝えられている。しかし、緊急性とフェルミの計算に対する信頼から、誰も反対しなかった。[ 77 ]
シカゴ・パイル1は、内部の空気を二酸化炭素に置き換えるためにバルーンで覆われた。アンダーソンは、グッドイヤー・タイヤ・アンド・ラバー社に濃い灰色のバルーンを製造させた。25フィート（7.6メートル）の立方体型のバルーンはやや珍しいものであったが、マンハッタン計画のAAA優先度評価により、質問なしで迅速に届けられた。[ 64 ] [ 78 ]滑車とロープを使ってバルーンを所定の位置に引き上げ、上部を天井に固定し、3つの側面を壁に固定した。残りの側面、フェルミが作業を指揮したバルコニーに面した側面は、日よけのように折り畳まれた。床に円が描かれ、1942年11月16日の朝、黒鉛ブロックの積み重ねが始まった。[ 79 ]最初に置かれた層は、ウランを含まない黒鉛ブロックのみで構成されていた。ウランを含まない層とウランを含む2つの層が交互に積み重ねられ、ウランは黒鉛で覆われた。[ 79 ]後の原子炉とは異なり、非常に低い出力でのみ運転されることを想定していたため、放射線遮蔽や冷却システムは備えていなかった。[ 80 ]
作業は12時間交代制で行われ、日勤はジン、夜勤はアンダーソンが担当した。[ 81 ]労働力として、徴兵される前に少しでもお金を稼ぎたいと熱望していた高校中退者30人を雇った。[ 82 ]彼らは、19,000個のウラン金属と酸化ウランを封じ込めた45,000個の黒鉛ブロックを機械加工した。[ 83 ]黒鉛は、さまざまな長さの4.25インチ×4.25インチ（10.8cm×10.8cm ）の棒状で製造業者から届いた。それらは、16.5インチ（42cm ）の標準長さに切断され、それぞれ19ポンド（8.6kg ）の重さになった。旋盤を使用して、制御棒とウランのためにブロックに3.25インチ（8.3cm ）の穴を開けた。油圧プレスを使用して、酸化ウランを「擬似球体」、つまり両端が丸い円筒形に成形した。ドリルビットは60個の穴を開けるごとに研磨する必要があり、これは約1時間に1回の割合だった。[ 79 ]すぐに黒鉛の粉塵が空気中に充満し、床が滑りやすくなった。[ 75 ]
ボルニー・C・ウィルソン率いる別のグループが計測機器を担当した。[ 81 ]彼らはまた、強力な中性子吸収材であるカドミウム板を平らな木片に釘で打ち付けた制御棒と、切断すると制御棒を炉内に落とし、反応を停止させるマニラ麻のロープであるスクラムラインも製作した。 [ 82 ]炉の制御棒機構を製作したリチャード・フォックスは、操作員が制御棒に対して行う手動速度制御は、単に可変抵抗器であり、洗濯紐を滑車に巻き取る電動モーターを制御するもので、滑車には安全装置として解放時にゼロ位置に戻るように2つの鉛のおもりが取り付けられていたと述べている。[ 84 ]
1シフトあたり約2層が敷設された。[ 79 ]ウッズの三フッ化ホウ素中性子カウンターは15層目に挿入された。その後、各シフトの終わりに測定値が記録された。[ 85 ]フェルミは、炉の半径の2乗を放射能の強度で割って、炉が臨界に近づくにつれて1までカウントダウンする指標を得た。15層目では390、19層目では320、25層目では270、36層目ではわずか149であった。当初の設計は球形の炉であったが、作業が進むにつれて、これは必要ないことが明らかになった。新しい黒鉛はより純度が高く、アイオワ州立大学のエイムズ計画から6ショートトン（5.4トン）の非常に純度の高い金属ウランが届き始めた。[ 86 ]エイムズ計画では、ハーレー・ウィルヘルムとそのチームが金属ウランを製造する新しいプロセスを開発していた。ウェスティングハウスランプ工場は、急ごしらえの工程で3ショートトン（2.7トン）を供給した。 [ 87 ] [ 88 ]
「スペディングの卵」として知られる直径2.25インチ（5.7cm ）の金属製ウラン円筒が、酸化ウラン擬似球の代わりに黒鉛の穴に落とされた。気球に二酸化炭素を充填する工程は不要となり、20層を省略することができた。フェルミの新しい計算によれば、カウントダウンは56層目と57層目の間で1に達するはずだった。そのため、結果としてできた積み重ねは、下よりも上の方が平らになった。[ 79 ]アンダーソンは57層目を置いた後に作業を中止した。[ 89 ]完成すると、木製のフレームは、高さ20フィート（6.1m ）、両端の幅6フィート（1.8m ） 、中央の幅25フィート（7.6m ）の楕円形の構造物を支えた。 [ 82 ] [ 90 ]これにはウラン金属6 ショートトン (5.4 t) 、酸化ウラン50 ショートトン (45 t) 、黒鉛400 ショートトン (360 t)が含まれており、推定費用は 270万ドルでした。[ 91 ]ロバート・クリースによれば、CP-1 とそれ以前の杭は「ピラミッド以来最大の非結合石造構造物」でした。[ 92 ]
翌日の1942年12月2日、全員が実験のために集まった。科学者は49人いた。[ a ] S-1執行委員会の大半はシカゴにいたが、コンプトンの招待で出席したのはクロフォード・グリーンウォルトだけだった。 [ 94 ]出席した他の要人には、シラード、ウィグナー、スペディングなどがいる。[ 93 ]フェルミ、コンプトン、アンダーソン、ジンは、もともと観測台として設計されたバルコニーの制御装置の周りに集まった。[ 95 ]サミュエル・アリソンは、緊急事態が発生した場合に山に投げかけるための濃縮硝酸カドミウムのバケツを持って待機していた。起動は午前9時54分に始まった。ウォルター・ジンは緊急制御棒であるジップを取り外し、固定した。 [ 95 ] [ 96 ]ノーマン・ヒルベリーは、ジップが重力の影響で落下するようにスクラムラインを切断するための斧を持って待機していた。[ 96 ] [ 97 ]レオナ・ウッズが三フッ化ホウ素検出器のカウントを大声で読み上げる間、フロアにいた唯一の人物であるジョージ・ワイルは、制御棒を1本残して他をすべて引き抜いた。10時37分、フェルミはワイルに最後の制御棒を13フィート（4.0メートル）残して他をすべて引き抜くよう命じた。ワイルはそれを一度に6インチ（15センチ）ずつ引き抜き、各段階で測定を行った。 [ 95 ] [ 96 ]
自動制御棒のトリップレベルが低すぎたため、制御棒が再び挿入され、プロセスは突然停止した。[ 98 ] 11時25分、フェルミは制御棒の再挿入を命じた。そして昼食の時間だと告げた。[ 95 ]
実験は14:00に再開された。[ 95 ]ワイルは最後の制御棒を取り外し、フェルミは中性子の活動を注意深く監視した。フェルミは15:25に原子炉が臨界状態（自己持続反応に達した状態）になったと発表した。フェルミは三フッ化ホウ素検出器からの急速に増加する電流に対応するため、記録計の目盛りを切り替えた。彼は制御回路をテストしたかったが、28分後に警報ベルが鳴り、中性子束が設定された安全レベルを超えたことを全員に知らせたので、ジンにジッパーを外すように命じた。反応は急速に停止した。[ 99 ] [ 96 ]原子炉は約0.5ワットで約4.5分間稼働した。[ 100 ]ウィグナーはキャンティのボトルを開け、紙コップで飲んだ。[ 101 ]
コンプトンは電話でコナントに連絡した。会話は即席の暗号で行われた。
コンプトン：イタリア人航海士が新世界に上陸しました。 コナント：原住民はどんな様子でしたか？
コンプトン：とてもフレンドリーです。[ 102 ]
1942年12月12日、CP-1の出力は増加され、200 W。遮蔽物が一切なかったため、付近にいる全員にとって放射線の危険があり、0.5 Wでのさらなる試験が続けられました。 [ 103 ] 1943 年 2 月 28 日に運転が終了し、[ 104 ]原子炉は解体され、現在レッド ゲート ウッズとして知られるアルゴンヌの森のサイト Aに移されました。[ 105 ] [ 106 ]そこで、元の材料を使用してシカゴ パイル 2 (CP-2) が建設されました。新しい原子炉は球形ではなく、高さ約25 フィート (7.6 m) 、底面が約30 フィート (9.1 m)四方の立方体のような形に建設されました。原子炉は、放射線遮蔽として機能する厚さ5 フィート (1.5 m) のコンクリートの壁で囲まれ、上部は6 インチ (15 cm)の鉛と50 インチ (130 cm)の木材で保護されていました。ウランがさらに多く使用されたため、52ショートトン（47 t）のウランと472ショートトン（428 t）の黒鉛が含まれていた。数キロワットでしか稼働しなかったため、冷却システムは提供されなかった。CP-2は1943年3月に稼働を開始し、kは1.055であった。[ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]戦争中、ウォルター・ジンはCP-2を24時間稼働させることを許可し、その設計は実験を行うのに適していた。[ 110 ] CP-2に続いて、最初の重水炉であるシカゴ・パイル3が1944年5月15日に臨界に達した。 [ 108 ] [ 109 ]
原子炉は、トリチウムの特性の調査など、兵器に関連する研究を行うために使用されました。戦時中の実験には、元素や化合物のニュートロン吸収断面積の測定が含まれていました。アルバート・ワッテンバーグは、毎月約10種類の元素が研究され、1年間で75種類が研究されたことを回想しています。[ 111 ]ラジウムとベリリウムの粉末が関係する事故により、彼の白血球数が危険なほど減少し、それが3年間続きました。酸化ウランの吸入などの危険性がより明らかになるにつれて、放射性物質が実験動物に及ぼす影響に関する実験が行われました。[ 70 ]
設計は10年間秘密にされていたが、シラードとフェルミは共同で特許を取得し、最初の出願日は 1944年12月19日で、中性子炉番号 2,708,656として登録された。[ 112 ] [ 113 ] [ 114 ]
レッドゲートウッズは後にアルゴンヌ国立研究所の元の敷地となり、1946年7月1日に冶金研究所に代わって設立され、ジンが初代所長に就任した。[ 115 ] CP-2とCP-3は10年間稼働した後、その有用性を失い、ジンは1954年5月15日にそれらの停止を命じた。[ 70 ]残りの使用可能な燃料は、デュページ郡にあるアルゴンヌ国立研究所の新しい敷地のシカゴパイル5に移送され、CP-2とCP-3の原子炉は1955年と1956年に解体された。CP-1/CP-2の黒鉛ブロックの一部は、TREAT原子炉の反射器に再利用された。燃料や重水などの高レベル放射性廃棄物は、処分のためテネシー州オークリッジに輸送された。残りはコンクリートで覆われ、現在サイトA/プロットM処分場として知られる場所の深さ40フィート（12メートル）の溝に埋められた。そこには記念の巨石が置かれている。[ 70 ]
1970年代までに、地元住民がレクリエーションに利用していたこの場所の放射能レベルに対する一般市民の懸念が高まった。1980年代に実施された調査では、 M区画の土壌からストロンチウム90 、近隣の井戸から微量のトリチウム、そして周辺地域からプルトニウム、テクネチウム、セシウム、ウランが検出された。1994年、米国エネルギー省とアルゴンヌ国立研究所は世論の圧力に屈し、それぞれ2470 万ドルと340 万ドルをこの場所の修復に充てた。浄化作業の一環として、500立方ヤード（380立方メートル）の放射性廃棄物が除去され、処分のためハンフォードサイトに送られた。2002年までに、イリノイ州公衆衛生局は、残りの物質が公衆衛生に危険を及ぼさないと判断した。[ 70 ]
CP-1 の試験の成功は、原子炉が実現可能であることを証明しただけでなく、k係数が当初考えられていたよりも大きいことを実証した。これにより、高価なヘリウムではなく空気や水を冷却材として使用することに対する反対意見が解消された。また、冷却パイプや制御機構の材料の選択において、より大きな自由度があることも意味した。ウィグナーは、水冷式生産原子炉の設計を推し進めた。黒鉛減速原子炉が工業規模でプルトニウムを生産できるかどうかについては懸念が残っており、このためマンハッタン計画はP-9重水生産プログラムを継続した。[ 116 ]プルトニウム半製品工場の一部として、テネシー州オークリッジのクリントン工兵工場に空冷式原子炉X-10 黒鉛炉が建設され、 [ 117 ]続いてワシントン州ハンフォードサイトに大型の水冷式生産原子炉が建設された。[ 118 ] 1945年7月までに原子爆弾1個分のプルトニウムが生産され、8月にはさらに2個分のプルトニウムが生産された。[ 119 ]
1952年12月2日、CP-1が臨界に達してから10周年を記念して、スタッグ・フィールドに記念銘板が設置された。[ 120 ]銘板には次のように記されていた。
1942年12月2日、人類はここで最初の自己持続的な連鎖反応を達成し、それによって核エネルギーの制御された放出を開始した。[ 121 ]
銘板は、1957 年 8 月に西スタンドが取り壊された際に保存された。[ 122 ] CP-1 の跡地は、1965 年 2 月 18 日に国定歴史建造物に指定された。 [ 1 ] 1966 年に国家歴史登録財が創設された際、すぐにそこにも追加された。[ 3 ]また、この場所は1971 年 10 月 27 日にシカゴのランドマークにも指定された。 [ 4 ]
現在、旧スタッグ・フィールドの跡地には、1970年に開館した大学のレゲンスタイン図書館と、2011年に開館したジョー・アンド・リカ・マンスエト図書館が建っている。 [ 123 ]ヘンリー・ムーアの彫刻「原子力エネルギー」は、レゲンスタイン図書館の外にある小さな中庭、かつて西側観覧席のラケットコートがあった場所に立っている。[ 1 ]これは、CP-1が臨界に達してから25周年を記念して、1967年12月2日に除幕された。1952年、1965年、1967年の記念銘板が近くにある。[ 121 ] CP-1の黒鉛ブロックは、ニューメキシコ州ロスアラモスのブラッドベリー科学博物館で見ることができる。もう1つは、シカゴの科学産業博物館に展示されている。 [ 124 ] 2017年12月2日、75周年記念日に、マサチューセッツ工科大学は、シカゴ・パイル1号と同様の設計の研究用黒鉛炉を修復し、最後のウラン原子塊を儀式的に挿入した。[ 125 ]
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