P-9プロジェクト

P -9計画は、第二次世界大戦中にマンハッタン計画の重水製造プログラムに与えられたコードネームである。ブリティッシュコロンビア州トレイルのコミンコ事業所は、重水製造のためにアップグレードされた。デュポンは米国に3つの工場を建設した。ウェストバージニア州モーガンタウン近郊のモーガンタウン兵器工場、インディアナ州ダナとニューポート近郊のワバッシュリバー兵器工場、アラバマ州チルダーズバーグとシラコーガ近郊のアラバマ兵器工場である。米国の工場は1943年から1945年まで稼働していた。カナダのトレイル工場は1956年まで稼働を続けた。P -9計画で製造された重水を使用して、アルゴンヌのシカゴ・パイル3と、カナダの チョークリバー研究所のZEEPとNRXの3つの原子炉が建設された。

重水は、通常の水の水素の大部分を構成する一般的な水素1同位体ではなく、重水素としても知られる水素同位体重水素を通常よりも多く含む水の一種です。[ 1 ]重水素は1931年^にハロルド・ユーリーによって発見され、後に彼はそれを水中で濃縮することができました。^[2]彼の指導者であるギルバート・ニュートン・ルイスは、 1933年に電気分解によって純粋な重水の最初のサンプルを分離しました。 ^[3]

重水は最初から科学的な好奇心の対象であったが、1939年にハンス・フォン・ハルバンとリュー・コワルスキーが天然ウランを使った原子炉で重水を中性子減速材として使用できると示唆したことで、かなりの関心が寄せられた。彼らは普通の水を使ってウランの実験を行ったが、水素原子が中性子を吸収し、望ましい連鎖反応を妨げていることを発見した。^[4]しかし、重水は理想的な減速材であった。科学研究​​開発局（OSRD）は、プリンストン大学の英国人物理学者ヒュー・S・テイラーを重水研究の責任者に任命した。テイラーとユーリーは、工業規模で重水を製造する方法を検討し始めた。アーサー・H・コンプトンは、プルトニウムプロジェクトのために、 2ストーン（28ポンド、13kg）の重水を要求した。^[5]重水プロジェクトは、1942年10月に「P-9プロジェクト」というコードネームが付けられた。^[6]

重水を使う際の問題は、それが希少で、科学者が原子炉に必要な量を容易に入手できなかったことである。米国のコロンビア大学では、エンリコ・フェルミとレオ・シラードが代わりに減速材としてグラファイトを使うことを試みた。これは可能だと分かったが、不純物、特にホウ素は中性子を吸収する傾向があったため、グラファイトは非常に純粋でなければならなかった。^{[4] 1942年12月2日、フェルミのチームは}シカゴ・パイル1と呼ばれる実験炉で初の人工的な自立型核連鎖反応を開始した。マンハッタン計画にとって、これは原子爆弾に使用するための原子炉でプルトニウムを製造するための重要な一歩であったが、大量生産にははるかに大きな原子炉が必要であった。^[7]

コミンコ社は1934年から重水の研究に携わり、ブリティッシュコロンビア州トレイルのテック・コミンコ製錬所で重水を生産していた。1941年2月26日、カナダ国立研究会議は同社の重水生産能力について問い合わせた。続いて1941年7月23日、テイラーは国防研究委員会（NDRC）に2,000ポンド（910kg）の生産契約を申し出る書簡を送った。NDRCは低品位の重水には1ポンドあたり5ドル、高品位の重水には10ドルを支払う用意があった。当時、重水は1ポンドあたり最高1,130ドルで売られていた。^[6]

コミンコ社の社長セルウィン・G・ブレイロックは慎重だった。戦後、重水の需要はないかもしれないし、そのプロセスの特許はアルバート・エドガー・ノウルズが持っていたため、利益分配契約が必要になるだろう。これに対してテイラーは、工場の改造に2万ドルを提示した。^{[6] [8]}問題は1941年12月6日まで保留されていたが、この日ブレイロックはイギリスの物理学者GI・ヒグソンと会談し、テイラーがコミンコ社に失望し、重水の代替供給源を探すことにしたと知らされた。ブレイロックはテイラーをトレイル社に招待し、テイラーは1942年1月5日から8日まで訪問した。2人はすぐに合意点を見つけた。ブレイロックはトレイル社で重水を生産することに同意し、取締役会長サー・エドワード・ビーティの承認をすぐに取り付けた。契約は1942年8月1日に締結された。^[6]

75MWの水力発電を消費する3,215個のセルからなる1000万ドルの既存のプラントに、水中の重水素濃度を2.3%から99.8%に上げるために二次電解セルが追加されました。このプロセスのために、テイラーは最初の3段階用にプラチナカーボン触媒を開発し、ユーリーは第4段階の塔用にニッケルクロミア触媒を開発した。 ^[9]合計0.474エーカー（0.192ヘクタール）の7つの新しい土地が取得され、米国政府によってリースされました。建設はストーン＆ウェブスターによって行われました。最終的なコストは280万ドルでした。カナダ政府がこのプロジェクトについて公式に知ったのは1942年8月、^{[10] [11]}翌月の建設開始直前でした。1943年6月30日に2,604,622ドルのコストで完成しました。^[9]

生産量は1943年6月の15ポンド（6.8 kg）から1944年1月には326ポンド（148 kg）、1945年1月には1,055ポンド（479 kg）、1946年1月には1,305ポンド（592 kg）と着実に増加した。 ^[12]工場の運営コストは、1943年6月から1946年12月までの期間、平均して月額32,979ドルであった。 ^{[13]この期間にマンハッタン計画は}原子力委員会に置き換えられた。^[14]これは1ポンドあたり39ドルに相当した。^[13]トレイルの重水生産は1956年まで続いた。^[10]

マンハッタン計画の責任者、レスリー・R・グローブス准将 は、1942年11月にプルトニウム生産施設建設の元請けとしてデュポン社を採用した。 ^[7]デュポン社が好んだ原子炉の設計はヘリウム冷却で減速材にグラファイトを使用するものだったが、デュポン社はグラファイト原子炉の設計が何らかの理由で実現不可能になった場合に備えて、バックアップとして重水を使用することに依然として関心を示していた。この目的のためには、1か月あたり3ショートトン（2.7 t）の重水が必要であると見積もられた。当時建設中だったトレイルの工場は1か月あたり0.5ショートトン（0.45 t）を生産できたため、より多くの生産能力が必要だった。^[15]

そこでグローブスは、ウェストバージニア州モーガンタウン近郊のモーガンタウン兵器工場、インディアナ州ダナとニューポート近郊のワバッシュ川兵器工場、およびアラバマ州チルダースバーグとシラコーガ近郊のアラバマ兵器工場に、追加の重水施設を建設することをデュポンに許可した。これらの施設は兵器工場として知られ、兵器省の契約に基づいて支払われたが、米国陸軍工兵隊によって建設および運営された。兵器工場に設置することで、土地の取得費用を節約できた。土地はすでに政府が所有しており、人員と蒸気発生装置などのユーティリティがすでにあったためである。3つのアメリカの工場はトレイルとは異なるプロセスを使用していた。重水は、重水のわずかに高い沸点を利用して蒸留によって抽出された。^[15]これは効率的なプロセスとは考えられていなかったが、機能し、工業プロセスに拡張できることが知られていたため、他の提案よりもリスクが低かった。^[16]モーガンタウン、ワバッシュ、アラバマでは、それぞれ月間0.4ショートトン（0.36 t）、1.2ショートトン（1.1 t）、0.8ショートトン（0.73 t）の重水を生産すると予想されており、^[17]濃度は99.75%であった。^[18]

モーガンタウン兵器工場（MOW）は、第二次世界大戦中にデュポン社が運営していた826エーカー（334ヘクタール）の化学製品製造施設として始まり、主要施設の建設は1940年夏に始まった。^[19]当初は爆発物の製造に使用するアンモニアを生産していたMOWは、アルコール、ヘキサミン、ホルムアルデヒドも生産し、その後、P-9プロジェクトで使用する重水を生産するために拡張された。^{[20]モーガンタウンでの作業は、ウォバッシュとアラバマの工場と同様に、}コストプラス固定料金契約に基づいてデュポン社によって行われた。建設は1943年1月7日に開始され、予定されていた9月1日より大幅に早く完了した。施設は1943年5月29日から8月28日の間に段階的に稼働した。デュポンの固定料金は当初154,882ドルであったが、建設費が当初見積もられた6,034,000ドルよりも大幅に低かったため、自主的に88,588ドルに減額された。^[21]

モーガンタウンに電解仕上げ工場が設立されたのは、この工場がデュポン社のアンモニア部門の管理下にあったためである。この工場では、蒸留工場から出た約90%の重水が電気分解され、水素と酸素に分解された。軽い水素が最初に除去され、重水が残る傾向がある。このプロセスは数段階にわたって繰り返され、99.75%の重水が最終製品として得られた。^[22]水の濃度が99.75%に達した後、重水は鉄道でシカゴ大学に輸送され、米国で最初に建設された原子炉の潜在的な減速材として使用された。^[20]

終戦後、デュポン社はMOWでの操業を終了し、その場所は1950年代初めまで様々な化学会社に貸し出され、その後空き地となっていたが、1962年にモーガンタウンコミュニティ協会が米国一般調達局から125万ドルでその地域を購入した。その後、その土地は地元の実業家JWルビーが所有する新しく設立されたモーガンタウン兵器工場に譲渡され、ルビーはこの場所を工業団地に改造し始めた。^[19] 1984年、その場所の一部は正式に環境保護庁（EPA）のスーパーファンド国家優先リストに追加することが提案され、2年後の1986年にリストに追加された。2001年に修復工事が開始され、その中には汚染物質を多層キャップで覆われた現場の埋立地に統合することが含まれていた。この対策には長期監視と制度的管理も含まれており、2003年に完了した。^[23] 2018年8月21日、EPAは兵器工場廃棄物処理場を他の8つの場所とともにスーパーファンド国家優先リストから削除した。^[24]

建設は1943年1月23日に始まり、10月22日にほぼ完了した。P-9蒸留工場は1943年6月17日から9月18日の間に段階的に稼働を開始した。総費用は7,493,157ドルで、これにはデュポンの手数料152,472ドルが含まれていた。この手数料は、割り当てられた13,665,000ドルを大幅に下回る金額で工場が建設されたため、当初の272,776ドルから自主的に減額された。^[25]

建設は1943年2月11日に始まり、11月15日に完了した。P-9蒸留工場は1943年5月29日から9月4日にかけて段階的に稼働した。総費用は3,466,171ドルで、これにはデュポンの手数料70,368ドルが含まれている。この手数料は、割り当てられた8,285,000ドルを大幅に下回る金額で工場が建設されたため、184,680ドルから自主的に減額された。^[26]

アメリカの3つの工場は、月産4,800ポンド（2,200kg）という当初の生産量を達成することはできなかった。生産量を向上させるための一連の提案が検討され、最も有望なものが実行された。最も成功したのは、モーガンタウンの第1段階の塔を再建して漏洩を減らしたことで、これにより性能が大幅に向上した。しかし、1945年初頭には、生産量は十分であると判断され、他の工場でこれを行う費用は正当化できなかった。^[27]

アラバマのP-9蒸留工場は1945年6月に閉鎖され、ワバッシュは7月に、モーガンタウンは8月に閉鎖された。モーガンタウンの電解仕上げ工場は9月に閉鎖された。工場閉鎖時に残っていた中間製品はトレイルに送られた。その結果、トレイルでは約1,600ポンド（730kg）の追加生産があった。1944年2月から1945年8月まで、3つの工場すべての製品を仕上げていたモーガンタウンの電解仕上げ工場は、平均して月2,277ポンド（1,033kg）、合計43,253ポンド（19,619kg）を生産した。^[27]

電解仕上げ工場では、マンハッタン計画のアルソスミッションによってドイツから回収された重水3,151ポンド（1,429kg）も処理された。^[27] 平均月間生産コストは、モーガンタウンで72,000ドル、アラバマで154,000ドル、ワバッシュで197,400ドルで、合計423,400ドルだった。つまり、重水のコストは、工場のコスト11,967,000ドルを除いて、1ポンドあたり186ドルだった。これを含めると、トレイルでは1ポンドあたり111ドルだったのに対し、重水のコストは1ポンドあたり550ドルだった。^[28]

中間生成物は、密封された金属容器に入れてワバッシュとアラバマから鉄道で輸送された。完成品は、モーガンタウンからモノンガヒラ鉄道とトレイルを経由してカナダ太平洋鉄道を経由して、シカゴ大学のマンハッタン計画の冶金研究所に鉄道で輸送された。^{[28] [29]}トレイルからの重水は、重水と天然ウランを使用した最初の原子炉であるアルゴンヌのシカゴ・パイル3に使用された。ユージン・ウィグナーによって設計され、ウォルター・ジンの指揮の下で建設されたこの原子炉は、1944年5月15日に臨界に達した。割り当てられた重水は、チョーク・リバー研究所によってコワルスキーの指揮の下でZEEPを建設するために使用され、1945年9月に臨界に達した。これに続いて、 1947年に重水で減速されたNRX原子炉が建設された。CP-3やZEEPと同様に、プルトニウム生産ではなく科学研究に使用された。^[10]

1950年代初頭には重水の需要が増加した。^[16]原子力委員会によって現在ダナ工場と改名されているワバッシュの重水施設が再開され、デュポンは1952年5月に重水の生産を再開した。^{[30]この場所は}硫化水素を使用する新しい生産プロセスのパイロットプラントとして使用された。重水施設は1957年初頭に再び閉鎖された。^{[31]この施設と}サバンナリバーサイトのより大規模な施設は、サバンナリバーのプルトニウム生産原子炉に重水を供給するという目的を果たした。^[32]