2023年9月16日星期六

杜邦与曼哈顿计划

在关于曼哈顿计划或是原子弹发展的历史叙述里,很多时候都是围绕在原子物理基本概念和那几位著名的物理学家身上。可是若没有大型工业制造的帮助,原子弹根本没能那么快成功试爆。

很多年前,上司递了一本纪念杜邦公司成立200周年,厚厚的一本大书;讲述杜邦从一间小小火药工作坊发展到后来的提倡科学创新,足迹遍布世界的美国化学工业公司。还记得当年读到相关篇章,原来杜邦曾参与曼哈顿计划,而且还对此作出了非常重要贡献。

1942122日,费米在芝加哥大学成功实验人类第一次自持链式反应和受控核能释放,现场除了科学家外,还有一位“非学界”的观众;杜邦化学工程师,格林沃尔特(Crawford Greenewalt )。当时格林沃尔特、杜邦工程师、其他工业公司和大学教授组成的委员会刚好在芝加哥逗留。因为空间有限,芝加哥大学负责组织链式反应和建造反应堆科学研究的康普顿(Arthur Compton)只能携带一位进去观看。康普顿特意选了40岁的格林沃尔特,因为他知道格林沃尔特会活得比他人更长来见证此历史时刻1,和想让格林沃尔特亲眼看见反应堆的运转而留下深刻印象。2

起初,杜邦不愿意参与原子弹计划。除了工程技术挑战之外,还可能会像在第一次世界大战一样,因为提供火药而被人们认为是在发“战争财”。可是曼哈顿计划的负责人,格罗夫斯将军(Brig. Gen. Leslie Groves )却认为惟有杜邦拥有在大型军事生产、设备设计、建造经验和化学工程技术,才能把芝加哥大学里像似魔法的东西变成现实世界里的实际成功。3  

而芝加哥反应堆的成功让杜邦接受政府的请求*;在田纳西州建造第二个反应堆。第二个反应堆是为了回答许多新技术中预期的问题,这些问题的解决,使得杜邦公司可以在华盛顿州的汉福德(Hanford, Washington)建造一个大的提炼和分离钚的反应堆。4

钚是一个才刚发现的放射性元素,而且对它的化学与物理属性都不了解。但是科学家认为钚的分离容易过铀同位素的分离。所以决定在提炼铀的同时也展开生产钚的工程。格林沃尔特就作为一位中间联络人在杜邦和众多科学家之间跑动,确定计划顺利进行。

可是工业公司和科学家之间不是那么容易沟通。 杜邦工程师当时就发现这些物理学家对于大规模工程制造的挑战和难度显得不在意,甚至不屑一顾。拥有些许工程背景的维格纳(Eugene Wigner)就是其中之一的物理学家。他认为一切商业和政府的交易都是破坏科研伦理(scientific integrity)。有一次维格纳发脾气,说:“给我一些钢锯和几个锤子,我会做得比那该死的杜邦更好。”5

塞格雷(Emilio Segrè)也写说:

                他(费米)和维格纳以及其他科学家一样发现自己在建筑大反应堆上与杜邦公司的意见不一致。费米和格林沃尔特在技术——行政事务上的意见并不一致,在1943年矛盾十分严重。虽然双方对于对方都有很高的评价,并且最终两人之间产生了十分真挚的友谊,例如在后几年中格林沃尔特在财政上大力支持费米。6

纯科学和工程最终走在一起。杜邦只用了21个月和3亿5千万美金,高峰期每日有45千人,在人烟稀少的荒芜沙漠上建立了一个庞然大物,钚的生产、提炼和分离工厂7。杜邦凭借无以伦比的工程技术、化学知识和工业安全守则,确保了曼哈顿计划里的钚和铀的得到及时稳定供应。

这里要提个故事,说明科学家和工程师间的差别。

     汉福德反应堆装载燃料花了几天时间,然后按计划在927日(1944年)开始运转,只是第二天其反应率降低了,几个小时后恢复到正常的功率。因为反应率降低了几个小时,我们要找到其神秘的原因,大家奋战了几个小时。但反应堆好像只是为了休息了一下,接着又开始工作。因为观察到反应率是时间的一个函数,费米和惠勒(A. L. Wheeler) 各自很快猜测出,这种效应产生的原因是由于一种核裂变产物污染了反应堆。在进一步的研究之后,一致认定罪魁祸首是135Xe(氙135)。这种同位素具有一个3.5 x 106靶的热中子俘获截面,半衰期9.4小时。135Xe是吴健雄和我(塞格雷)在早期研究核裂变时发现的,但不知道它是如此可怕的一个中子吸收者。几天之内,大家了解了这种物理现象,而且幸运的是,杜邦公司的工程师在他们的预防计划里想到了这种可能性,补充了比物理学家的计算更多的燃料。他们这种浪费和昂贵的预防措施并没有什么正当的理由,但却节省了时间。在这次偶然事件中,费米和格林沃尔特在一起焦急地工作了几个小时,观察反应率不断地变化。费米很敬佩格林沃尔特在理解现象时地判断能力,这弥补了他相当差劲的数学能力。8

因为这则故事,想起以前在工程公司工作时,无论计算泵、热交换器或是反应炉的容量时,都是要加上一定的安全系数。

若没有像杜邦拥有如此完整的工程与化学技术公司,很多的原子物理理论只能在纸上或是小规模实验,而不能及时投下日本,结束二战。

Sept 03, 2023 - RC

1 Kinnane, Adrian. DuPont: From the Banks of the Brandywine to Miracles of Science © 2002 E.I. du Pont de Nemours and Company. Published 2002. Page 147

2 【美】埃米里奥 塞格雷   杨建邺  杨渭 译:《原子舞者——费米传》。上海科学出版社,20064月第1版,143页。Enrico Fermi, Physicist by Emilio Segrè. Licensed by The University of Chicago Press, Chicago, Illinois, U.S.A. 1970 by The University of Chicago.

3 DuPont, Page 144.

4 如塞书,第145页。如DuPont, Page 147.

5 DuPont, Page 144. 转引自S.L. Sanger with Robert W. Mull, Hanford and the Bomb: An Oral History of World War II (Seattle: Living History Press, 1989), 25.

6 如塞书,第146页。

7 DuPont, Page 147 - 148.

8 如塞书,第158页。

* 杜邦只接受政府给与成本加上1美金的资助。如DuPont, Page 147.

除了在田纳西州和华盛顿州的工厂,杜邦还在公司总部负责提炼铀矿石。

杜邦在1938年意外发现的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylenePTFE,铁氟龙),这聚合物能耐高酸碱。而当时分离铀同位素的原料,强腐蚀性的六氟化铀(uranium hexafluoride)很轻易就损坏普通的垫圈和密封件。所以聚四氟乙烯的物理和化学性质就能担当这一方面的要求。所以杜邦在阿灵顿,新泽西州(Arlington, New Jersey)建立了一间小工厂,三分之二的聚四氟乙烯生产量供给曼哈顿计划,剩下的给予其他军事用途。(By Funderburg, Anne Cooper. Making Teflon Stick. From, American Heritage of Invention & Technology, Summer 2000, Volume 16/Number 1. Page 14

2023年9月2日星期六

爱荷华州立大学与曼哈顿计划

在大学时知道Ames Laboratory发源于曼哈顿计划。二战后,Ames Laboratory是研究材料科学和能源开发的地方。印象中要有特别准证才可以进去,可能是由国家能源部管辖,所以不是任何人随便可以进去。

1941年,费米需要大量纯铀来实验第一个可控和自持核能链式反应。可是当时没有可行提炼大量纯铀的方法。所以当时在芝加哥大学负责组织链式反应和建造反应堆科学研究的康普顿(Arthur Compton)寻找谁能担当化学材料研究方面的主持人。1942年,因为在稀土元素研究有丰富经验,而铀的化学性质与稀土元素相似,所以爱荷华州立大学(当时称作爱荷华州立学院)的史佩丁(Frank Spedding)教授被选中。史佩丁主要任务是找出如何能大量生产高纯度铀的方法。史佩丁与他的同事韦尔姆(Harley A. Wilhelm)教授和团队后来成功研发出低成本和高效率的化学方法Ames Process,及时生产出高纯度铀,给予费米团队足够的材料在1942年启动芝加哥实验反应堆。再后来,爱荷华州立大学和其他工业生产公司(杜邦DuPont是其中之一)提炼和源源不断提供大量高纯度铀给曼哈顿计划。1

第二次世界大战结束后,因为曼哈顿计划的渊源,美国能源部把其中一个研究中心设在爱荷华州立大学,这也就是Ames Laboratory的由来。而Ames Laboratory为爱荷华州立大学带来化学、物理、材料、化学工程和其他工程系的资深教授、学生和大量经费。到现在,爱荷华州立 大学还深受其恩泽。

话说回来,念书时知道其中一个分离铀同位素的方法是气体扩散(Gaseous Diffusion)。在读基础化学和Transport Phenomena 时就有提到铀的气体扩散和有关方程式。印象中有在功课里计算如何找出铀同位素气体扩散系数,可是忘了在什么科目。

这篇短文,纪念爱荷华州立大学在人类第一个可控核能链式反应和对曼哈顿计划中所作出的贡献。

Sept 02, 2023 - RC

1 “But the Ames Project, as it was known, produced more than 2 million pounds of uranium for the war effort.” The First 100 Years of Chemical Engineering at Iowa State University by Dr. George Burnet, Jr. and Steven Sullivan. Copyright, 2013. Printed by Thomson-Shore, Inc., Dexter, MI, USA.  Page 77.