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| シカゴパイル-1 | |
|---|---|
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| 原子炉のコンセプト | 研究用原子炉 |
| 設計・構築 | 冶金研究所 |
| 運用 | 1942年から1943年 |
| 状態 | 解体 |
| 位置 | シカゴ、イリノイ州、米国 |
| 原子炉コアの主なパラメータ | |
| 燃料（核分裂性物質） | 天然ウラン |
| 燃料状態 | 固体（ペレット） |
| 中性子エネルギースペクトル | 遅い |
| 主な制御方法 | 制御棒 |
| 主なモデレーター | 核グラファイト（レンガ） |
| 一次冷却材 | なし |
| 原子炉の使用 | |
| 主な用途 | 実験的 |
| 重要度（日付） | 1942年12月2日 |
| オペレーター/オーナー | シカゴ大学/マンハッタン計画 |
| 備考 | 世界初の人工原子炉 |
最初の自己持続核反応の現場 | |
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| 座標 | 北緯41°47′33″ 西経87°36′4″ / 北緯41.79250° 西経87.60111° / 41.79250; -87.60111 |
| 構築済み | 1942年[2] |
| NRHP参照 番号 | 66000314 [1] |
| 重要な日付 | |
| NRHPに追加されました | 1966年10月15日 (66000314) [1] |
| 指定NHL | 1965年2月18日[2] |
| 指定CL | 1971年10月27日[3] |
シカゴ・パイル1号（CP-1）は世界初の人工原子炉であった。1942年12月2日、エンリコ・フェルミが率いる実験中に、CP-1で人類初の自立型核連鎖反応が始まった。この原子炉の極秘開発は、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大きな技術的成果であった。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た。プロジェクトの民間および軍の指導者は、悲惨な暴走反応の可能性について懸念を抱いていたが、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」と表現した。[4]
一連の試行錯誤を経て、1942年11月に約30名のチームによって成功した原子炉が組み立てられた。チームにはフェルミに加え、レオ・シラード（非核分裂連鎖反応のアイデアを以前に考案していた）、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・ワイルの科学者が含まれていた。原子炉は天然ウランを使用した。臨界に達するためには大量の物質が必要であり、中性子減速材として黒鉛も必要だった。原子炉には360米トン（330トン）の重さがある45,000個の超高純度黒鉛ブロックが含まれており、5.4米トン（4.9トン）のウラン金属と45米トン（41トン）の酸化ウランが燃料として使われた。その後のほとんどの原子炉とは異なり、この原子炉は、約 0.5 ワットという非常に低い電力で稼働していたため、放射線遮蔽や冷却システムを備えていませんでした。
原子炉の開発は、ナチスドイツが科学的にかなりリードしているのではないかという懸念から始まった。シカゴ・パイル1号炉が連鎖反応を起こすことに成功したことで、連合国による核エネルギーの軍事利用の実現可能性が初めて鮮明に示されたと同時に、ナチスドイツが核兵器の製造に成功する危険性が現実のものとなった。それまで、臨界質量の推定は大まかな計算であり、仮想爆弾の大きさについて桁違いの不確実性があった。減速材としてグラファイトをうまく利用したことで連合国の取り組みが前進したが、ドイツの計画は、そのためには希少で高価な重水を使用しなければならないとの考えから、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グラファイトサンプルに含まれる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、グラファイトの最も一般的な汚染物質についてサプライヤーに問い合わせていた。その結果、次のテストでは、ホウ素とカドミウムを全く含まないグラファイトでテストが行われることになった。結局、ホウ素とカドミウムはどちらも強力な中性子毒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に移され、シカゴ・パイル2（CP-2）として再編成された。そこでは1954年まで研究目的で運用され、その後解体され埋設された。スタッグフィールドのスタンドは1957年8月に取り壊され、現在では実験場の場所に記念広場が建てられており、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。
起源
化学 連鎖反応という考え方は、1913年にドイツの化学者マックス・ボーデンシュタインが初めて提唱したもので、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なる反応を引き起こす可能性のある不安定な分子も形成される状況を想定していた。[5]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・シラードが初めて仮説を立てた。 [6]シラードは、核反応で中性子または重中性子が生成され、それがさらに核反応を引き起こす場合、そのプロセスが自己永続的になる可能性があることを認識した。シラードは、大量の中性子を生成する既知のより軽い同位体の混合物を使用することを提案し、ウランを燃料として使用する可能性も検討した。[7]彼は翌年、単純な原子炉のアイデアの特許を申請した。[8] 1938年にドイツの化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンが核分裂を発見し、[9] [10]協力者のリーゼ・マイトナーとオットー・フリッシュがその理論的説明（と命名）を行ったことで、[11] [12]ウランによる核連鎖反応を起こす可能性が開かれたが、初期の実験は失敗に終わった。[13] [14] [15] [16]
連鎖反応を起こすには、核分裂してい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しなければならなかった。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・スラックと共同で、1939年1月25日に米国初の核分裂実験を行った。[17] [18]その後の研究で、高速中性子が確かに核分裂によって生成されたことが確認された。[19] [20]シラードはコロンビア大学物理学部長のジョージ・B・ペグラムから3か月間研究室を使用する許可を得て、ウォルター・ジンを説得して協力者にした。[21]彼らはコロンビア大学のピューピンホール7階でラジウムベリリウム源を使ってウランに中性子を照射する簡単な実験を行った。彼らは天然ウランで中性子の顕著な増殖を発見し、連鎖反応が起こる可能性があることを証明した。[22]
フェルミとシラードは依然として原子爆弾には膨大な量のウランが必要であると信じていたため、制御された連鎖反応を起こすことに集中した。[23]フェルミはアルフレッド・OC・ニーアに核分裂性成分を決定するためにウラン同位体を分離するよう促し、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、単離された核分裂性物質であることが確認された。[24]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り中性子が減速し、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ていた。[25] [26]シラードはフェルミに、減速材としてグラファイトの形の炭素を使用することを提案した。バックアップ計画として、彼は重水を検討した。これには重水素が含まれており、通常の水素のように中性子を吸収せず、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。[27]フェルミは、核分裂したウラン原子核が平均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注意深い設計が必要であった。[28] [29]（今日、核分裂したウラン235原子核1個あたりの中性子放出平均数は約2.4であることが知られている）。[30]
シラードは、約50ショートトン（45 t）のグラファイトと5ショートトン（4.5 t）のウランが必要だと見積もった。[27] 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、グラファイトに不純物が含まれている可能性と、これまで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。[31]化学会社ナショナル・カーボンは、当時グラファイトの主な商業用途であったカーボンアークランプの研究を物理学者のマクファーソンに依頼するという、当時としては異例の措置をとった。カーボンアークの分光学を研究していたマクファーソンは、濃度と中性子吸収の親和性の両方から、関連する主要な汚染物質がホウ素であることを知っていた。[31]これはシラードの疑いを裏付けるものであった。[32]さらに重要なことは、マクファーソンとハミスターは十分な純度のグラファイトを製造する技術が開発できると信じていたことである。もし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、グラファイトは中性子減速材としての使用には不適切であると誤って結論付けていたかもしれない。[32]
その後2年間にわたり、マクファーソン、ハミスター、ラウクリン・M・カリーは、低ホウ素含有量グラファイトの大規模生産のための熱精製技術を開発した。[31] [33]結果として得られた製品は、ナショナル・カーボンによってAGOTグラファイト（「アチソン・グラファイト常温」）と命名された。中性子吸収断面積が4.97ミリバーンのAGOTグラファイトは、最初の真の原子力グレードグラファイトと見なされている。[34] 1942年11月までに、ナショナル・カーボンは255ショートトン（231トン）のAGOTグラファイトをシカゴ大学に出荷し、[35]シカゴ・パイル1の建設に使用されるグラファイトの主な供給源となった。[36]
政府の支援
シラードはフランクリン・D・ルーズベルト大統領に宛てた極秘の書簡を起草し、ドイツの核兵器計画を警告し、核兵器の可能性を説明し、核兵器開発につながるプログラムの開発を奨励した。ユージン・ウィグナーとエドワード・テラーの助けを借りて、彼は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近づき、彼の名声をこの提案に貸し出すことで書簡に署名するよう説得した。[37]アインシュタイン＝シラードの書簡の結果、米国政府による原子核分裂の研究が確立した。[38]科学者で米国国立標準局長のライマン・J・ブリッグスのもとにウランに関する諮問委員会が結成された。1939年10月21日の初会合にはシラード、テラー、ウィグナーが出席した。科学者たちは、シラードが実験に必要な物資、特にグラファイトを購入できるように、米陸軍と海軍に6,000ドルを提供するよう説得した。[39]
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アーサー・コンプトンをリーダー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した。1941年5月に提出されたコンプトンの報告書は、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放射性兵器、船舶の原子力推進、核兵器の開発の見通しを予見していた。[40] 10月、コンプトンは原子爆弾の実用性に関する別の報告書を執筆した。この報告書では、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見通しについても議論した。[41]
ニールス・ボーアとジョン・ホイーラーは、奇数の原子質量を持つ重い同位体は核分裂性があると理論づけていた。もしそうだとすれば、プルトニウム239も核分裂性である可能性が高い。[42] 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（150 cm）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、その方法では十分な量を生成できなかった。[43]コンプトンは、ウィグナーと原子炉でプルトニウムを生成する方法について議論し、ロバート・サーバーとはプルトニウムをウランから分離する方法について議論した。 11月に提出された報告書では、爆弾は実現可能であると述べられていた。[41]
1941年11月のコンプトンの報告書の最終草稿にはプルトニウムについては何も触れられていなかったが、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した。12月、コンプトンはプルトニウムプロジェクトの責任者に任命された。[44]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、原子爆弾を設計して製造することだった。[45] [42]成功した原子炉がまだ建設されていなかったにもかかわらず、科学者が追求すべき異なるタイプの原子炉設計を決定するのはコンプトンの仕事だった。[46]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完成させるスケジュールを提案した。 [45]
発達
原子炉では、中性子生成率が中性子吸収と中性子漏洩の両方を含む中性子損失率と等しくなったときに臨界状態が達成されます。ウラン235原子が核分裂すると、平均2.4個の中性子が放出されます。 [30]最も単純な無反射均質球形原子炉の場合、臨界半径はおおよそ次のように計算されました。
, [47]
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 は平均中性子増倍係数です。後続の反応における中性子は係数kで増幅され、2 世代目の核分裂イベントではk 2、3 世代目ではk 3というように生成されます。自己持続的な核連鎖反応が発生するためには、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、核分裂イベントの数が急激に指数関数的に増加する即発臨界閾値を超えずに、 k は1 より大きくなければなりません。 [47] [48]
フェルミは自分の装置を「パイル」と名付けた。エミリオ・セグレは後に次のように回想している。
私はしばらくの間、この用語は、ボルタが自身の偉大な電気エネルギー源の発明を表すためにイタリア語の「pila」を使用したのと類似して、核エネルギー源を指すために使用されたと考えていました。フェルミ自身は、一般的な英語の単語「 pile」を「heap」と同義語として使用しただけだと私に言いましたが、私は幻滅しました。驚いたことに、フェルミは彼の「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。[49]
さらなる資材購入のため、今度はS-1ウラン委員会から4万ドルの補助金が支給され、1941年8月にフェルミは臨界未満装置を建設する計画を立て始めた。これは、より小さな構造物でより大きな装置が機能するかどうかをテストするためだった。フェルミが建設を計画していたいわゆる指数関数的堆積物は、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）あった。[50]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。
私たちは当時大学で魔法を使う権限を持っていたペグラム学部長のところへ行き、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偵察し、私たちは彼と一緒に暗い廊下や様々な暖房パイプの下などに行き、この実験に適した場所を訪ねました。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。[51]
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1941 年 9 月、この堆積物は 4 x 4 x 12 インチ (10 x 10 x 30 cm) のグラファイト ブロックとウラン酸化物のブリキ鉄缶で構築されました。缶は 8 x 8 x 8 インチ (20 x 20 x 20 cm) の立方体でした。ウラン酸化物を充填すると、1 つあたりの重量は約 60 ポンド (27 kg) になりました。缶は全部で 288 個あり、それぞれがグラファイト ブロックで囲まれているため、全体が立方格子構造を形成していました。ラジウム- ベリリウム中性子源が底部近くに配置されました。ウラン酸化物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ました。次に、缶ははんだ付けで閉じられました。ペグラムは労働力として、コロンビア大学のフットボールチームを確保しました。当時、フットボール選手が大学周辺の雑用を行うのが慣例でした。彼らは重い缶を楽々と扱うことができました。最終結果は残念なことにk0.87であった。[48] [52]
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を置くことで、重複が多すぎて協力が不十分だと感じ、作業を一か所に集中させることを決意した。誰も移転を望まず、誰も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て間もなく、コンプトンはシカゴ大学を自分の場所として決定した。シカゴ大学なら大学当局から惜しみない支援を受けられるとわかっていたからだ。[53]シカゴは中心地でもあり、科学者、技術者、施設は戦争でまだ行方不明になっていない中西部の方が容易に利用できた。 [53]一方、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に取り組んでおり、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。[54]
フェルミのチームはシカゴへ出発する前に、コロンビア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、使用は中止された。代わりに、乾燥させるために250℃（480℉）に加熱したウラン酸化物を、グラファイトに開けた長さ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。次に、炉全体を金属板でハンダ付けして缶詰めにし、水分を除去するために内容物を水の沸点以上に加熱した。その結果、kは0.918となった。[55]
サイトの選択
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シカゴでは、サミュエル・K・アリソンが、元々ラケットコートとして建設されたスタッグフィールドのスタンドの下のスペースに、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。[56] [57]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の試合を中止して以来、ほとんど使われていなかったが、[47] [58]西スタンドの下のラケットコートは、依然としてスカッシュやハンドボールの試合に使用されていた。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プレーした。激しい運動を目的としたため、こ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階にアイススケートリンクが2つあり、冷蔵設備はなかったものの、冬でも溶けることはめったになかった。[59]アリソンは、フェルミのグループが1942年に到着する前に、ラケットコートエリアを使用して高さ7フィート（2.1メートル）の実験用杭を建設しました。[56]
アメリカ陸軍工兵隊は1942年6月に核兵器計画の管理を引き継ぎ、コンプトンの冶金研究所はマンハッタン計画と呼ばれるようになる計画の一部となった。[60] 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に就任した。 [61]彼は10月5日に初めて冶金研究所を訪れた。[62] 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・ジンの率いるグループがスタッグフィールドスタンドの下に16本の実験用杭を建設した。[63]
フェルミは、約1.04と予測されたkを最大化するために球形の新しい炉を設計し、それによって臨界を達成した。 [64] レオナ・ウッズは、博士論文を完成するとすぐに三フッ化ホウ素 中性子検出器の製作に任命された。彼女はまた、アンダーソンがシカゴの南側の材木置き場で必要な大量の4×6インチ（10×15cm）の木材を見つけるのを手伝った。[65]主にナショナル・カーボンからの高純度グラファイトの積荷と、ミズーリ州セントルイスのマリンクロットからの高純度二酸化ウランが到着した。マリンクロットは、現在月に30ショートトン（27t）を生産している。[66]新しく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。[67]
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の森にプルトニウム実験プラントの建設地を選定した。この地は「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）の土地を借り受けたが[68] [69]、9月までに提案された施設は敷地面積が大きすぎることが明らかとなり、実験プラントは別の場所に建設されることとなった。[70]臨界前原子炉はほとんど危険をもたらさなかったが、グローブスは臨界原子炉（完全に機能する原子炉）はより遠隔地に設置するのが賢明であると考えた。フェルミの実験炉を収容するアルゴンヌの建物の建設が開始され、完成は10月20日の予定であった。労働争議により建設は予定より遅れ、フェルミの新しい炉の材料は新しい建物が完成する前に手に入る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スタンド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を訪れた。[71]
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人口密集地域に臨界状態で稼働する原子炉を建設するリスクは重大な問題であった。なぜなら、壊滅的な核メルトダウンにより、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があったからである。しかし、システムの物理的特性から、暴走反応が発生した場合でも、炉心は安全に停止できることが示唆された。燃料原子が核分裂すると、中性子が放出され、連鎖反応で他の燃料原子に衝突する。[71]中性子を吸収してから核分裂するまでの時間は、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、これも中性子を放出する可能性があるが、その期間はマイクロ秒から数分と、はるかに長いと指摘していた。核分裂生成物が蓄積する炉心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。[71] [72] [73]
フェルミは、遅延中性子を使用し、出力が上昇するにつれて反応速度を注意深く制御することにより、核分裂反応からの即発中性子のみに頼る連鎖反応よりもわずかに低い核分裂速度で、炉心臨界に到達できると主張した。これらの中性子の放出速度は、それより前に起こる核分裂イベントに依存するため、出力スパイクと後の臨界イベントの間には遅延がある。この時間により、オペレータに余裕が生まれ、即発中性子束のスパイクが見られた場合、暴走反応を引き起こすまでに数分の猶予がある。この期間中に中性子吸収剤、つまり中性子毒が注入されると、原子炉は停止する。したがって、反応は制御棒などの電気機械 制御システムで制御できる。コンプトンはこの遅延が臨界安全マージンを提供するのに十分であると考え、[71] [72]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。[74] [72]
コンプトンは後にこう説明した。
シカゴ大学の責任者として、組織の慣例に則って、私は上司にこの件を報告すべきだった。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自の判断を下す立場にはなかった。大学の福祉を考慮した場合、彼が与え得た唯一の答えは「ノー」だっただろう。そして、この答えは間違っていただろう。[74]
コンプトンは11月14日のS-1執行委員会でグローブスにその決定を伝えた。[72]グローブスは「コンプトンの提案の賢明さについて深刻な疑念を抱いていた」が、介入はしなかった。[75] NDRCの議長 ジェームズ・B・コナントは顔色が青ざめたと報じられた。しかし、緊急性とフェルミの計算に対する信頼のため、誰も異議を唱えなかった。[76]
工事
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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風船で覆われていた。アンダーソンは、グッドイヤー・タイヤ・アンド・ラバー社製の濃い灰色の風船を持っていた。25フィート（7.6メートル）の立方体の形をした風船はやや珍しいものだったが、マンハッタン計画のAAA優先度評価により、何の質問もなく迅速に納品されることが保証された。[63] [77]風船を所定の位置に引き上げるために、滑車が使用され、上部は天井に、3つの側面は壁に固定された。フェルミが作業を指示したバルコニーに面した残りの側面は、日よけのように巻き取られた。床に円が描かれ、1942年11月16日の朝、グラファイトブロックの積み上げが始まった。[78]最初に置かれた層は、ウランを含まないグラファイト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層が交互に配置され、ウランはグラファイトで囲まれた状態になった。[78]後の原子炉とは異なり、この原子炉は非常に低い出力で運転されることが想定されていたため、放射線遮蔽や冷却システムは備えていなかった。[79]
作業は12時間交代制で行われ、昼間はジンが、夜はアンダーソンが担当した。[80]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思っていた高校中退者30人が雇われた。[81]彼らは、19,000個のウラン金属とウラン酸化物を包んだ45,000個のグラファイトブロックを機械加工した。[82]グラファイトは、製造業者から様々な長さの4.25×4.25インチ（10.8×10.8 cm）の棒の形で届いた。それらは16.5インチ（42 cm）の標準長さに切断され、それぞれの重さは19ポンド（8.6 kg）だった。旋盤を使用して、ブロックに制御棒とウラン用の3.25インチ（8.3 cm）の穴を開けた。油圧プレス機を使用して、ウラン酸化物を「擬似球」、つまり端が丸い円筒に成形しました。ドリルビットは60個の穴を開けるごとに研ぐ必要があり、1時間に1回ほどでした。[78]グラファイトの粉塵がすぐに空気中に充満し、床が滑りやすくなりました。[74]
ヴォルニー・C・ウィルソン率いる別のグループは、計測機器を担当した。[80]彼らはまた、強力な中性子吸収剤であるカドミウムの板を平らな木の板に釘で留めた制御棒や、切断すると制御棒が炉心に落下して反応を止めるマニラロープであるスクラムラインも製造した。 [81]炉心溶融炉の制御棒機構を製造したリチャード・フォックスは、操作員が手動で制御する棒の速度は、単に可変抵抗器で、電気モーターを制御して物干し用ワイヤーを滑車に巻き取るもので、滑車には2つの鉛の重りも取り付けられており、安全を確保して手を離すとゼロ位置に戻ると述べている。[83]
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シフトごとに約2層が敷かれた。[78]ウッズの三フッ化ホウ素中性子カウンタが15層目に挿入された。その後、各シフトの終了時に測定が行われた。[84]フェルミは、炉心半径の2乗を放射能の強度で割って、炉心が臨界に近づくにつれて1までカウントダウンする測定基準を求めた。15層目では390、19層目では320、25層目では270、そして36層目ではわずか149だった。当初の設計は球形の炉心だったが、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。新しいグラファイトはより純粋で、アイオワ州立大学のエイムズプロジェクトから非常に純粋な金属ウラン6ショートトン（5.4 t）が届き始めた。[85]そこでハーレー・ウィルヘルムと彼のチームはウラン金属を製造する新しいプロセスを開発した。ウェスティングハウスランプ工場は、間に合わせの工程で急いで生産し、3ショートトン（2.7t）を供給した。[86] [87]
2.25インチ (5.7 cm) の金属製ウランシリンダー (通称「スペッディングの卵」) が、ウラン酸化物擬似球の代わりにグラファイトの穴に落とされた。二酸化炭素をバルーンに充填するプロセスは不要となり、20層は不要となった。フェルミの新しい計算によると、カウントダウンは56層目と57層目の間で1に達する。そのため、結果として得られる山は、上部が下部よりも平らになった。[78]アンダーソンは、57層目が置かれた後に作業を中止した。[88]完成すると、木枠は高さ20フィート (6.1 m)、両端の幅6フィート (1.8 m)、中央の幅25フィート (7.6 m) の楕円形の構造を支えた。[81] [89]これには6ショートトン（5.4トン）のウラン金属、50ショートトン（45トン）のウラン酸化物、400ショートトン（360トン）のグラファイトが含まれており、推定価格は270万ドルでした。[90]
最初の核連鎖反応
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翌日、1942年12月2日、全員が実験のために集まった。49名の科学者が出席した。[a] S-1実行委員会の大半はシカゴにいたが、コンプトンの招待を受けたクロフォード・グリーンウォルトだけが出席した。[92]出席した他の高官には、シラード、ウィグナー、スペッディングがいた。[91]フェルミ、コンプトン、アンダーソン、ジンは、もともと展望台として意図されていたバルコニーの制御盤の周りに集まった。[93]サミュエル・アリソンは、緊急時に堆積物の上に投げ込む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・ジンはジップ、つまり緊急制御棒を取り外し、固定した。[93] [94]ノーマン・ヒルベリーは、ジップが重力の影響で落下できるようにするスクラムラインを切断するために斧[94] [95]レオナ・ウッズが三フッ化ホウ素検出器から大きな声でカウントを呼びかけている間に、フロアにいた唯一の人物ジョージ・ワイルが制御棒を1本を除いて全て引き抜いた。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）を除いて全て取り外すよう命じた。ワイルはそれを一度に6インチ（15センチ）引き抜き、各段階で計測を行った。[93] [94]
トリップレベルが低すぎたため、自動制御棒が再挿入され、プロセスは突然停止した。[96] 11時25分、フェルミは制御棒の再挿入を命じた。そして、昼食の時間だとアナウンスした。[93]
実験は14:00に再開された。[93]フェルミが中性子の活動を注意深く監視する間、ヴァイルは最後の制御棒を操作した。フェルミは15:25に炉心が臨界状態（自立反応）に達したと発表した。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に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、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る警報ベルが鳴り、彼は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。[97] [94]炉心は約0.5ワットで約4.5分間稼働していた。[98]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。[99]
コンプトンは電話でコナントに知らせた。会話は即興の暗号で行われた。
コンプトン: イタリアの航海士が新世界に上陸しました。
コナント: 原住民はどうでしたか?
コンプトン：とてもフレンドリーです。[100]
その後の操作
1942年12月12日、CP-1の出力は電球に十分な200Wに増加されました。いかなる遮蔽も行われなかったため、付近の全員に放射線の危険があり、その後のテストは0.5Wで続行されました。[101]運転は1943年2月28日に終了し、[102]原子炉は解体され、現在は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。[103] [104]そこで元の資材を使用してシカゴ原子炉2号機 (CP-2) が建設されました。球形ではなく、新しい原子炉は高さ約25フィート (7.6 m)、底辺は約30フィート (9.1 m)四方の立方体のような形で建設されました。周囲を5フィート（1.5メートル）の厚さのコンクリート壁が覆っており、放射線遮蔽の役割を果たしていた。頭上には6インチ（15センチメートル）の鉛と50インチ（130センチメートル）の木材が張られていた。ウランの使用量が増えたため、52ショートトン（47トン）のウランと472ショートトン（428トン）のグラファイトが封じ込められた。数キロワットでしか稼働しなかったため、冷却システムは備えられていなかった。CP-2は1943年3月にk =1.055で稼働を開始した。[105] [106] [107]戦時中、ウォルター・ジンはCP-2を24時間稼働することを許可し、その設計は実験を行うのに適していた。[108 ] CP-2にはシカゴ・パイル3号が加わり、1944年5月15日に臨界に達した初の重水炉となった。 [106] [107]
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、元素や化合物の中性子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の元素が研究され、1年で75の元素が研究されたと回想しています。[109]ラジウムとベリリウムの粉末の事故により、彼の白血球数は危険なほど低下し、3年間続きました。ウラン酸化物の吸入などの危険性が明らかになるにつれて、放射性物質が実験動物に与える影響についての実験が行われました。[69]
この設計は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、1944年12月19日に中性子炉番号2,708,656として出願された。[110] [111] [112]
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、同研究所は1946年7月1日に冶金研究所に取って代わり、ジンが初代所長となった。[113] CP-2とCP-3は10年間稼働した後、役目を終え、1954年5月15日にジンは閉鎖を命じた。[69]残りの使用可能な燃料は、アルゴンヌ国立研究所の新しい敷地であるデュページ郡のシカゴ パイル-5に移され、CP-2とCP-3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原子炉の反射板に再利用された。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廃棄場として知られている深さ40フィート（12メートル）の溝に埋められました。そこには記念の巨石が置かれています。[69]
1970年代までに、地元住民のレクリエーションに利用されていたこの場所の放射能レベルに対する国民の懸念が高まった。1980年代に実施された調査では、プロットMの土壌にストロンチウム90、近くの井戸に微量のトリチウム、この地域にプルトニウム、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国民の圧力に屈し、それぞれ2,470万ドルと340万ドルをこの場所の修復に充てた。浄化の一環として、500立方ヤード（380 m 3）の放射性廃棄物が除去され、処分のために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。[69]
意義と記念
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なくなった。また、冷却材パイプや制御機構の材料の選択に自由度が広がった。ウィグナーは、水冷式生産炉の設計を進めた。黒鉛減速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いたため、マンハッタン計画では重水生産施設の開発が続けられた。[114]空冷式原子炉であるX-10黒鉛炉は、テネシー州オークリッジのクリントン・エンジニア・ワークスでプルトニウム半製品工場の一部として建設され、[115]ワシントン州のハンフォード・サイトでより大型の水冷式生産炉が続いた。[116] 1945年7月までに原子爆弾1個分、8月にはさらに2個分のプルトニウムが生産された。[117]
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飛行場で記念碑が除幕された。[118]そこには次のように書かれていた。
1942年12月2日、人類はここで初めて自立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。[119]
1957年8月に西スタンドが取り壊されたとき、銘板は保存された。[120] 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。 [2] 1966年に国家歴史登録財が創設されると、すぐにそこにも追加された。[1]この場所は1971年10月27日にシカゴランドマークにも指定された。 [3]
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ーゲンシュタイン図書館と、2011年に開館したジョー・アンド・リカ・マンスエト図書館が入居している。 [121]ヘンリー・ムーアの彫刻「原子力エネルギー」は、西側観覧席のラケットコートの跡地にあるレーゲンシュタイン図書館の外の小さな中庭に立っている。[2]この彫刻は、CP-1臨界到達25周年を記念して1967年12月2日に奉納された。1952年、1965年、1967年の記念銘板が近くにある。[119] 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、もう1つはシカゴ科学産業博物館に展示されている。 [122] 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に似た設計の研究用グラファイト・パイルを修復し、最後のウラン・スラグを儀式的に挿入した。[123]
注記
- ^ シカゴパイル1のパイオニアは、ハロルド・アグニュー、ハーバート・L・アンダーソン、ウェイン・アーノルド、ヒュー・M・バートン、トーマス・ブリル、ロバート・F・クリスティ、アーサー・H・コンプトン、エンリコ・フェルミ、リチャード・J・フォックス、スチュワート・フォックス、カール・C・ガマーツフェルダー、アルビン・C・グレイブス、クロフォード・グリーンウォルト、ノーマン・ヒルベリー、デビッド・L・ヒル、ウィリアム・H・ヒンチ、ロバート・E・ジョンソン、WR・カンネ、オーガスト・C・クヌース、フィリップ・グラント・クーンツ、ハーバート・E・クビチェック、ハロルド・V・リヒテンバーガー、ジョージ・M・マロンド、アンソニー・J・マッツ、ジョージ・ミラー、ジョージ・D・モンク、ヘンリー・P・ニューソン、ロバート・G・ノーブルズ、ウォーレン・E・ナイアー、ウィルコックス・P・オーバーベック、J・ハワード・パーソンズ、ジェラルド・S・パウリッキ、セオドア・ペトリー、デイビッド・P・ルドルフ、レオン・セイヴェッツ、レオ・セレン、ルイス・スローティン、フランク・スペッディング、ウィリアム・J・スターム、レオ・シラード、アルバート・ワッテンバーグ、リチャード・J・ワッツ、ジョージ・ワイル、ユージン・P・ウィグナー、マーヴィン・H・ウィルケニング、ボルニー・C・（ビル）ウィルソン、レオナ・ウッズ、ウォルター・ジン。[91]
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、シカゴ・パイル1に関連するメディアがあります。
- 明日が始まる日: YouTubeで最初の原子炉杭、シカゴ・パイル 1 の物語– AEC ビデオ 1967
- CP-1の写真。2021年2月27日にWayback Machineにアーカイブされました。シカゴ大学図書館アーカイブ。CP-1の写真とスケッチが含まれています。
- スタッグフィールドの西側スタンド、金属研究研究所（冶金研究所）、エンリコ・フェルミ、CP-1 を使用した実験の様子を撮影したビデオ
- 最初の山。CP-1に関する11ページの物語
- 「最初の自己持続連鎖反応の直接の記憶」。エネルギー省。2019年3月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年9月23日閲覧。CP-1 の最後の生き残りである 2 人の先駆者、ハロルド アグニューとウォーレン ナイアーのビデオ
- 1952年の原子炉10周年記念式典でフェルミが原子炉の成功を語る音声ファイル
