Projeto Ames - Ames Project

O Projeto Ames era um projeto de pesquisa e desenvolvimento que fazia parte do maior Projeto Manhattan para construir as primeiras bombas atômicas durante a Segunda Guerra Mundial . Foi fundado por Frank Spedding do Iowa State College em Ames, Iowa como um desdobramento do Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago dedicado à química e metalurgia , mas tornou-se um projeto separado por direito próprio. O Projeto Ames desenvolveu o Processo Ames , um método para preparar urânio metálico puro de que o Projeto Manhattan precisava para suas bombas atômicas e reatores nucleares . Entre 1942 e 1945, produziu mais de 1.000 toneladas curtas (910 t) de urânio metálico. Também desenvolveu métodos de preparação e fundição de tório , cério e berílio . Em outubro de 1945, o Iowa State College recebeu o Prêmio Exército-Marinha "E" por Excelência em Produção, um prêmio geralmente concedido apenas a organizações industriais. Em 1947, tornou-se o Laboratório Ames , um laboratório nacional da Comissão de Energia Atômica .

Fundo

A descoberta do nêutron por James Chadwick em 1932, seguida pela fissão nuclear pelos químicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann em 1938, e sua explicação teórica (e nomenclatura) por Lise Meitner e Otto Frisch logo depois, abriu a possibilidade de uma reação em cadeia nuclear controlada com urânio . Em 20 de dezembro de 1941, logo após o ataque japonês a Pearl Harbor que levou os Estados Unidos à Segunda Guerra Mundial , o físico ganhador do Prêmio Nobel Arthur H. Compton foi encarregado do projeto de plutônio , cujo objetivo era produzir reatores converter urânio em plutônio, encontrar maneiras de separar quimicamente o plutônio do urânio e, finalmente, projetar e construir uma bomba atômica . Este se tornou o Projeto Manhattan . Embora um reator de sucesso ainda não tivesse sido construído, os cientistas já haviam produzido vários conceitos de design diferentes, mas promissores.

Compton estabeleceu o Laboratório Metalúrgico do projeto na Universidade de Chicago em fevereiro de 1942. Sua missão era construir reatores nucleares para criar plutônio que seria usado em bombas atômicas. Para obter conselhos sobre como montar a Divisão de Química do laboratório, Compton, um físico, procurou Herbert McCoy , que tinha considerável experiência com isótopos e elementos radioativos. McCoy recomendou Frank Spedding do Iowa State College em Ames, Iowa , como um especialista em elementos de terras raras , que eram quimicamente semelhantes à série de actinídeos que incluía urânio e plutônio. Compton pediu a Spedding para se tornar o chefe da Divisão de Química do Laboratório Metalúrgico.

Devido à falta de espaço na Universidade de Chicago, Spedding propôs organizar parte da Divisão de Química do Iowa State College, onde tinha colegas dispostos a ajudar. Ficou combinado que Spedding passaria metade de cada semana em Ames e metade em Chicago. A intenção era que a equipe da Ames acabasse se mudando para Chicago quando houvesse espaço disponível, mas isso nunca aconteceu. O sucesso do Projeto Ames garantiu que ele se tornasse um laboratório separado dentro do Projeto Manhattan.

Organização

Spedding começou recrutando dois colegas cientistas no Iowa State College para se tornarem seus diretores associados; Harley A. Wilhelm , especialista em espectroquímica e metalurgia, como chefe da Divisão de Metalurgia do Projeto Ames, e Iral B. Johns como chefe da Divisão de Plutônio. Sob eles estavam oito chefes de seção. O Projeto Ames cresceu para mais de 90 cientistas. O número total de funcionários acabou ultrapassando 500. A equipe sênior se reunia nas manhãs de domingo para revisar o trabalho da semana anterior e definir metas para a semana seguinte, um processo que veio a ser chamado de "Speddinars". A princípio, Spedding teve que partir para Chicago logo após cada reunião, mas no início de 1943 ele foi sucedido como chefe da divisão de química do Laboratório Metalúrgico por James Franck , permitindo que Spedding ficasse mais tempo em Ames. Ele permaneceu como diretor associado do Laboratório Metalúrgico.

Spedding teve a sorte de contar com o total apoio de Charles E. Friley , presidente do Iowa State College, embora a princípio a natureza do trabalho não pudesse ser revelada a ele durante as verificações de segurança. Depois de concluídos, Friley trouxe Harold V. Gaskill, o Reitor de Ciências, como administrador do Projeto Ames. O Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos assumiu o controle do Projeto Manhattan em junho de 1942 e do Projeto Ames no final de 1942.

Urânio

Processo Ames

O primeiro item da agenda era encontrar urânio para o reator nuclear que Enrico Fermi se propunha construir. O minério de urânio estava prontamente disponível. Cerca de 1.200 toneladas curtas (1.100 t) de minério de alto teor do Congo Belga estavam armazenadas em um depósito em Port Richmond, em Staten Island . Cerca de 300 toneladas curtas (270 t) por ano estavam sendo extraídas na Mina Eldorado em Port Radium no Lago Great Bear perto do Círculo Polar Ártico nos Territórios do Noroeste do Canadá . A empresa Eldorado também operava uma refinaria em Port Hope, Ontário , onde o minério canadense e belga era refinado. As necessidades estimadas do Projeto Manhattan para 1942 eram de 200 toneladas curtas (180 t), das quais Compton exigia apenas 45 toneladas curtas (41 t) para seu reator nuclear proposto.

O principal problema eram as impurezas no óxido de urânio, que poderiam atuar como venenos de nêutrons e impedir uma reação em cadeia nuclear. Devido à presença de impurezas, as referências publicadas antes de 1942 normalmente listavam seu ponto de fusão em torno de 1.700 ° C (3.090 ° F), quando o urânio metálico puro realmente funde a 1.132 ° C (2.070 ° F). Peter P. Alexander, da Metal Hydrides Incorporated, deu em 1938 as primeiras indicações de que o ponto de fusão do urânio era "tão baixo quanto 1.100 ° C (2.010 ° F) e até um pouco mais baixo".

A maneira mais eficaz de purificar o óxido de urânio em um laboratório era tirar vantagem do fato de que o nitrato de urânio é solúvel em éter . Aumentar a escala desse processo para a produção industrial era uma proposta perigosa; o éter era explosivo, e uma fábrica que usava grandes quantidades provavelmente explodiria ou incendiaria. Compton e Spedding recorreram a Mallinckrodt em Saint Louis, Missouri , que tinha experiência com éter. Spedding repassou os detalhes com os engenheiros químicos de Mallinckrodt, Henry V. Farr e John R. Ruhoff, em 17 de abril de 1942. Em poucos meses, sessenta toneladas de óxido de urânio altamente puro foram produzidas.

O único urânio metálico disponível comercialmente era produzido pela Westinghouse Electric and Manufacturing Company , usando um processo fotoquímico. O óxido de urânio foi reagido com fluoreto de potássio em grandes tonéis no telhado da fábrica da Westinghouse em Bloomfield, New Jersey . Isso produzia lingotes do tamanho de um quarto que eram vendidos por cerca de US $ 20 por grama. Mas Edward Creutz , chefe do grupo do Laboratório Metalúrgico responsável pela fabricação do urânio, queria uma esfera de metal do tamanho de uma laranja para seus experimentos. Com o processo da Westinghouse, teria custado US $ 200.000 e levado um ano para ser produzido. O processo de hidreto ou "hidrameta", desenvolvido por Alexander, utilizava o hidreto de cálcio como agente redutor para a conversão do minério de urânio em metal. Dessa forma, a fábrica de Hidretos Metálicos em Beverly, Massachusetts , conseguiu produzir alguns quilos de urânio metálico. Infelizmente, o hidreto de cálcio continha quantidades inaceitáveis ​​de boro , um veneno de nêutrons, tornando o metal impróprio para uso em um reator. Alguns meses se passariam antes que Clement J. Rodden, do National Bureau of Standards and Union Carbide, descobrisse um meio de produzir hidreto de cálcio suficientemente puro.

Spedding e Wilhelm começaram a procurar maneiras de criar o metal de urânio. Na época, era produzido na forma de pó e era altamente pirofórico . Ele poderia ser prensado, sinterizado e armazenado em latas, mas para ser útil, precisava ser derretido e fundido. A fundição apresentou dificuldade porque cadinhos corroídos de urânio de berílio, magnésia e grafite. Para produzir urânio metálico, eles tentaram reduzir o óxido de urânio com hidrogênio, mas não funcionou. Enquanto a maioria dos elementos vizinhos na tabela periódica podem ser reduzidos para formar metal puro e escória , o urânio não se comportou dessa maneira. Em junho de 1942, eles tentaram reduzir o urânio com carbono em uma atmosfera de hidrogênio, com sucesso apenas moderado. Eles então tentaram alumínio, magnésio e cálcio, todos sem sucesso. No mês seguinte, a equipe de Ames descobriu que o urânio derretido poderia ser lançado em um recipiente de grafite . Embora o grafite fosse conhecido por reagir com o urânio, isso poderia ser controlado porque o carboneto se formou apenas onde os dois se tocaram.

Por volta dessa época, alguém do Laboratório de Radiação de Berkeley do Projeto Manhattan trouxe um cubo de tetrafluoreto de urânio de 2 polegadas (51 mm) - o composto de urânio usado nos calutrons - para o Laboratório Metalúrgico para discutir a possibilidade de usá-lo em vez de óxido de urânio no reator. Spedding começou a se perguntar se seria possível produzir urânio metálico a partir desse sal , contornando os problemas com o oxigênio. Ele levou o cubo de volta para Ames e pediu a Wilhelm para investigar. A tarefa foi atribuída a um associado, Wayne H. Keller. Ele investigou um processo (agora conhecido como processo Ames ) originalmente desenvolvido por JC Goggins e outros na Universidade de New Hampshire em 1926. Isso envolvia a mistura de tetracloreto de urânio e cálcio metálico em um vaso de pressão de aço revestido com óxido de cálcio (conhecido como " bomba ") e aquecê-la. Keller conseguiu reproduzir os resultados do Goggin em 3 de agosto de 1942, criando um botão de 20 gramas (0,71 oz) de urânio metálico muito puro. O processo foi então ampliado. Em setembro, as bombas estavam sendo preparadas em tubos de aço de 4 polegadas (10 cm) de 15 polegadas (38 cm) de comprimento, forrados com cal para evitar a corrosão e contendo até 3 kg (6,6 lb) de tetrafluoreto de urânio. CF Gray pegou esses lingotes e os lançou em um tarugo de 4,980 gramas (10,98 lb) de 5 por 2 polegadas (12,7 por 5,1 cm) de urânio puro.

Produção

Em 24 de setembro de 1942, Wilhelm levou o lingote para Spedding no Laboratório Metalúrgico em Chicago e o apresentou a Compton, cuja primeira reação foi de descrença. Ele pensou que devia ser oco. Spedding mandou cortar o lingote. Não era oco. Poucos dias depois, o diretor do Laboratório Metalúrgico, Richard L. Doan, foi para Ames, onde redigiu um contrato do Escritório de Pesquisa e Desenvolvimento Científico (OSRD) para o Projeto Ames de produzir 100 libras (45 kg) de urânio metálico puro um dia. Esta seria uma planta piloto, com o processo sendo eventualmente transferido para a indústria. O contrato OSRD foi substituído por um contrato do Projeto Manhattan em novembro de 1942. O contrato inicial era de $ 50.000. Em 31 de dezembro de 1945, o valor de face dos contratos arrendados ao Projeto Ames totalizou $ 6,907 milhões; mas a obra foi realizada por US $ 4 milhões.

Wilhelm encontrou um antigo prédio de madeira na extremidade sudeste do campus. Foi um prédio de economia doméstica até 1926, e depois serviu como um ginásio feminino até que um novo foi construído em 1941; em 1942, era usado principalmente para armazenamento. O prédio foi entregue ao Projeto Ames, e o piso de madeira foi substituído por outro de concreto, para grande decepção do arquiteto universitário, que há anos tentava derrubar o local. O edifício tornou-se oficialmente conhecido como Anexo Físico-Químico; a população local chamou de "Little Ankeny", em homenagem à cidade vizinha de Ankeny, Iowa , onde havia uma usina de artilharia. Procurando por máquinas-ferramentas, Wilhelm encontrou uma oficina mecânica à venda em Ames. O proprietário, Bill Maitland, já havia feito ferramentas de jardinagem, mas não conseguia mais obter o metal de que precisava devido ao racionamento do tempo de guerra. Wilhelm comprou por $ 8.000. O Laboratório Metalúrgico forneceu dois grandes fornos de redução de 40 quilowatts .

O Projeto Ames forneceu duas toneladas de urânio metálico para o Laboratório Metalúrgico para a construção de Chicago Pile-1 , o primeiro reator nuclear do mundo, que atingiu criticidade em 2 de dezembro de 1942. O Projeto Ames forneceria mais tarde mais de 90 por cento do urânio para o Reator de grafite X-10 na Clinton Engineer Works em Oak Ridge, Tennessee . A produção aumentou de 100 libras (45 kg) de urânio metálico por dia em dezembro de 1942 para 550 libras (250 kg) por dia em meados de janeiro de 1943.

Para a produção, o processo foi alterado para usar magnésio em vez de cálcio; o magnésio era mais barato, mais facilmente disponível e mais puro. Mas também era mais difícil iniciar a reação com magnésio do que com cálcio, exigindo mais aquecimento. O tetrafluoreto de urânio, conhecido como sal verde devido à sua cor característica, foi fornecido pela Mallinckrodt, DuPont e Harshaw Chemical, e foi moído na chegada, assim como o magnésio. As bombas eram normalmente tubos de 6 polegadas (15 cm), 36 polegadas (91 cm) de comprimento, embora tubos de 10 polegadas (25 cm), 42 polegadas (110 cm) de comprimento, pudessem ser usados ​​para produzir 125 libras (57 kg) lingotes. Foram aquecidos a 650 ° C (1.202 ° F) por 40 a 60 minutos, após os quais a mistura reagiu espontaneamente, atingindo temperaturas de 1.500 a 2.000 ° C (2.730 a 3.630 ° F). Um microfone foi usado para detectar a ignição, e a bomba seria movida para uma câmara de spray para esfriar. Se tudo funcionasse, seriam produzidos biscoito de urânio metálico e escória de fluoreto de magnésio . Depois que a bomba esfriasse, ela seria aberta e martelada até que as duas se separassem. O biscoito resultante seria carimbado e enviado para ser fundido.

A fundição remodelou o urânio em lingotes e removeu as impurezas. Os biscoitos de metal foram derretidos em um cadinho de grafite e colocados em um molde. Isso produziu hastes entre 1,5 e 5,0 polegadas (3,8 e 12,7 cm) de diâmetro e 20 a 30 polegadas (51 a 76 cm) de comprimento. As hastes foram carimbadas com um número e colocadas em caixas de madeira para envio ao Laboratório Metalúrgico. De lá, eles foram enviados para Oak Ridge ou Hanford Site . Em julho de 1943, o Projeto Ames estava produzindo 130.000 libras (59.000 kg) de urânio metálico por mês. O custo de meio quilo de urânio metálico caiu de US $ 1.000 para cerca de um dólar. A partir de julho de 1943, Mallinckrodt, Electromet e DuPont começaram a produzir urânio pelo processo de Ames, e a Ames encerrou sua própria produção no início de 1945.

O Projeto Ames deu início a um programa de recuperação de urânio metálico da sucata. Um novo prédio, conhecido como Anexo 2 de Físico-Química, foi construído para esse propósito em 1944. As aparas de urânio foram lavadas, secas, passadas por um ímã para remover impurezas de ferro e prensadas em briquetes. Eles foram então enviados para serem fundidos novamente. O trabalho foi entregue a Hidretos Metálicos e uma planta de recuperação em Hanford Site em dezembro de 1945, quando o Projeto Ames havia recuperado 600.000 libras (270 t) de sucata. Ao todo, o Projeto Ames produziu mais de 1.000 toneladas curtas (910 t) de urânio metálico. Toda a produção cessou em 5 de agosto de 1945, assim como a Metal Hydrides e a DuPont, deixando Mallinckrodt como o único produtor de urânio metálico no início do período do pós-guerra.

Outros metais

Começando em 1942, junto com as operações de produção de urânio, o Projeto Ames conduziu uma variedade de pesquisas metalúrgicas relacionadas à separação e purificação de tório, berílio e metais de terras raras, como o cério.

Tório

Em 1942, Glenn T. Seaborg estabeleceu que, quando o tório era bombardeado com nêutrons, ele poderia ser transformado em urânio-233 físsil . Essa era outra rota possível para uma bomba atômica, especialmente se descobrisse que o urânio-233 poderia ser mais facilmente separado do tório do que o plutônio do urânio. Não foi levado adiante porque a produção de urânio-233 teria exigido um redesenho completo dos reatores de Hanford; mas em abril de 1944 o Laboratório Metalúrgico Thorfin R. Rogness calculou que um reator nuclear contendo tório poderia produzir urânio-233 suficiente para sustentar sua reação sem adicionar nada além de mais tório. Isso foi muito interessante, porque na época se pensava que o urânio poderia ser escasso, enquanto o tório era pelo menos dez vezes mais abundante.

Em julho e agosto de 1943, o Projeto Ames tentou criar metal tório usando algo semelhante ao Processo de Ames. Isso não teve sucesso, porque o tório tem um ponto de fusão muito mais alto do que o urânio. Os esforços continuaram em 1944 e descobriu-se que, com um intensificador de cloreto de zinco, eles poderiam produzir uma liga de zinco-tório . O aquecimento a 1.300 ° C (2.370 ° F) em um cadinho de grafite poderia então derreter o zinco, que poderia ser retirado. Isso deixou o tório, que foi lançado em lingotes de 150 libras (68 kg) em cadinhos de berílio. Cerca de 2.000 kg (4.500 libras) foram produzidos em 31 de dezembro de 1945. O tório era vendido por US $ 3 o grama antes da guerra; no final, o Projeto Ames estava produzindo por menos de 5 centavos de dólar o grama.

Berílio

O berílio foi usado pelo Projeto Manhattan como refletor de nêutrons e como componente de iniciadores de nêutrons modulados . Apenas uma empresa o produziu comercialmente nos Estados Unidos, a Brush Beryllium em Lorain, Ohio . O Projeto Ames começou a trabalhar em um processo de produção em dezembro de 1943, reduzindo o fluoreto de berílio em uma bomba com magnésio metálico e um booster de enxofre. A principal dificuldade em trabalhar com berílio era sua alta toxicidade. Uma bomba fechada foi usada para minimizar a possibilidade de produção de poeira tóxica de berílio. O processo funcionou, mas as altas temperaturas e pressões criadas pelo sulfeto de magnésio significavam que ele era potencialmente explosivo. Uma alternativa foi então desenvolvida usando fluoreto de berílio em uma bomba com cálcio metálico e um reforço de cloreto de chumbo . O metal foi fundido no vácuo . A pesquisa ainda estava em andamento quando a guerra acabou.

Cério

Em meados de 1944, o Projeto Ames foi convidado a produzir cério. Isso estava sendo usado pelos laboratórios de Berkeley e Los Alamos para o sulfeto de cério , que era usado em cadinhos para lançar plutônio. Novamente, o método da bomba foi usado, desta vez para reduzir o cloreto de cério anidro com cálcio usando um intensificador de iodo. Uma "sala seca" especial foi construída para secar o cloreto de cério usando cloreto de hidrogênio gasoso. O metal resultante continha impurezas de cálcio e magnésio, então teve que ser reformulado para removê-los. A oportunidade foi aproveitada para torná-lo em hastes de 0,75 polegadas (1,9 cm) de diâmetro e 4 polegadas (10 cm) de comprimento, no formato desejado. Como o cério é tão reativo, a refusão foi feita no vácuo, usando um cadinho de óxido de cálcio ou óxido de magnésio . A primeira remessa de cério metálico foi feita em agosto de 1944. O Laboratório Ames produziu 437 libras (198 kg) de cério extremamente (mais de 99%) puro em agosto de 1945, quando a produção terminou.

Ligas

Como o urânio metálico era tão escasso antes da guerra, pouco se sabia sobre sua metalurgia, mas com o urânio sendo usado nos reatores, o Projeto Manhattan ficou profundamente interessado em suas propriedades. Em particular, com a água sendo utilizada para resfriamento, especulou-se sobre ligas com alta condutividade térmica e resistência à corrosão. O Projeto Ames produziu e testou carboneto de urânio , que tinha potencial para ser usado como combustível em reatores em vez de urânio metálico. O mesmo aconteceu com o bismuto , por causa de sua seção transversal de captura de nêutrons , de modo que o Projeto Ames produziu e testou ligas de urânio-bismuto.

Em um ponto, uma proposta estava sobre a mesa para proteger o urânio em um reator da corrosão, revestindo-o com cobre . O Projeto Ames, portanto, estudou ligas de urânio-cobre, que ocorreria onde o urânio encontrasse a capa de cobre. Na prática, o urânio era enlatado em alumínio; isso também foi estudado, assim como ligas com estanho, que eram usadas para soldar as latas. Também foram realizados testes com ligas de urânio com berílio, cálcio, cobalto, magnésio, manganês e tório, que estavam sendo produzidas ou em uso em outras partes do Projeto Ames. Foram feitas tentativas de separar o plutônio do urânio por meio da metalurgia, explorando a maior afinidade do plutônio com o ouro e a prata, mas o Projeto Manhattan optou por usar o processo de fosfato de bismuto , um método de separação química.

O Projeto Ames também estudou tório, ligando-o com bismuto, carbono, cromo, ferro, manganês, molibdênio, níquel, oxigênio, estanho, tungstênio e urânio, e berílio ligado com bismuto, chumbo, tório, urânio e zinco.

Química

A química do urânio foi o foco de vários estudos do Projeto Ames. As propriedades dos vários óxidos de urânio e hidreto de urânio foram investigadas. Este último foi particularmente interessante porque a certa altura o Laboratório de Los Alamos considerou usá-lo em uma bomba atômica em vez de urânio metálico, mas a ideia foi considerada ineficiente e foi arquivada. Um processo foi desenvolvido para recuperar o urânio metálico empobrecido do tetrafluoreto de urânio que sobrou do processo de separação de isótopos eletromagnéticos e do hexafluoreto de urânio que sobrou do processo de difusão gasosa . Esta foi operada como uma planta piloto que produziu quantidades de quilogramas, antes de ser entregue aos Laboratórios SAM do Projeto Manhattan para implementação em escala industrial em Oak Ridge.

Se a química e a metalurgia do urânio eram mal compreendidas, a do plutônio era praticamente desconhecida, pois só existia em quantidades microscópicas. As amostras começaram a chegar dos reatores em 1943 e, embora o local das investigações do Projeto Manhattan sobre a química do plutônio fosse o Laboratório Metalúrgico, o Projeto Ames investigou métodos de separação do metal plutônio do urânio e produtos de fissão .

Pós-guerra

O general Leslie R. Groves Jr. , diretor do Projeto Manhattan, visitou o Iowa State College em 12 de outubro de 1945 e apresentou o Prêmio Exército-Marinha "E" de Excelência na Produção por sua participação na produção de urânio para o Projeto Manhattan. Era inédito para uma faculdade ou universidade receber esse prêmio, que geralmente era concedido a organizações industriais. O prêmio veio na forma de uma faixa com quatro estrelas brancas, representando dois anos e meio de serviço ao esforço de guerra. Em 2011, o prêmio estava em exibição na Iowa State University em Spedding Hall.

O Conselho de Educação do Estado de Iowa criou o Instituto de Pesquisa Atômica (IAR) como um órgão de coordenação para pesquisas em todo o meio - oeste dos Estados Unidos em 1º de novembro de 1945, com Spedding como seu diretor. O Projeto Manhattan continuou a financiar as atividades do Projeto Ames, mas com a aprovação da Lei de Energia Atômica de 1946 , a responsabilidade passou para a recém-criada Comissão de Energia Atômica (AEC) em 1º de janeiro de 1947.

Em 17 de maio de 1947, o AEC concedeu ao Iowa State College o contrato para administrar o Laboratório Ames , que agora tinha o status de laboratório nacional . O laboratório permaneceu no campus do Iowa State College, e seu corpo docente e alunos de pós-graduação constituíam a maior parte da equipe. Spedding permaneceu como seu diretor até se aposentar em 1968. A administração foi delegada ao IAR. Edifícios permanentes foram construídos, inaugurados em 1948 e 1950, e posteriormente chamados de Wilhelm Hall e Spedding Hall. O Laboratório Ames manteve o foco em química e metalurgia, principalmente nos metais de terras raras.

Notas

Referências

links externos