캘루트론
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1. 개요
캘루트론은 전자기적 동위원소 분리 기술을 사용하여 우라늄-235를 농축하는 장치로, 제2차 세계 대전 중 맨해튼 계획의 일환으로 개발되었다. 1938년 핵분열 발견 이후 원자 폭탄 개발의 가능성이 제기되면서, 우라늄-235의 분리 필요성이 대두되었고, 어니스트 로렌스의 지도 아래 캘리포니아 대학교에서 개발이 시작되었다. 캘루트론은 이온화된 우라늄을 자기장으로 분리하는 방식으로 작동하며, Y-12 국립 안보 단지에 대규모 생산 시설이 건설되어 리틀 보이 원자 폭탄 제조에 사용되었다. 전쟁 후에는 기술이 발전하여 다른 국가에서도 캘루트론을 개발했으며, 핵무기 개발 및 동위원소 생산에 활용되었다.
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캘루트론 | |
---|---|
지도 정보 | |
개요 | |
유형 | 질량 분석기 |
개발 | 어니스트 로렌스 |
개발 시기 | 1942년 |
사용 | 맨해튼 계획 |
관련 항목 | 전자기적 동위 원소 분리 |
상세 정보 | |
작동 원리 | 자기장을 이용하여 이온을 분리 |
주요 구성 요소 | 이온원, 가속기, 자기장, 수집기 |
용도 | 동위원소 분리, 질량 분석 |
역사 | |
개발 배경 | 맨해튼 계획의 일환으로 우라늄 농축 필요성 증대 |
개발 목표 | 우라늄-235와 우라늄-238의 효율적인 분리 |
초기 모델 | 사이클로트론 원리 응용 |
이름 유래 | California University Cyclotron (캘리포니아 대학교 사이클로트론) |
주요 개발자 | 어니스트 로렌스를 비롯한 캘리포니아 대학교 연구팀 |
생산 시설 | 테네시 주 오크리지의 Y-12 시설 |
생산 규모 | 수천 대의 칼루트론 가동 |
생산 방식 | 병렬 연결된 여러 개의 칼루트론 유닛을 사용 |
개선 노력 | 생산 효율성 향상을 위한 지속적인 개선 |
작동 방식 | |
이온 생성 | 염화우라늄을 가열하여 우라늄 이온 생성 |
이온 가속 | 전압을 사용하여 이온 가속 |
자기장 통과 | 자기장을 통과하며 질량에 따라 궤적 분리 |
분리 원리 | 가벼운 우라늄-235 이온은 더 작은 원을 그리며 분리 |
수집 | 분리된 이온을 수집기에 모아 농축 |
집속 기술 | 빔 집속을 위한 기술 적용 |
진공 유지 | 고진공 환경 유지 필요 |
효율성 및 문제점 | |
생산량 | 다른 농축 방법에 비해 낮은 생산량 |
유지 보수 | 높은 유지 보수 비용 |
전력 소비 | 막대한 전력 소비 |
2단계 농축 | 가스 확산법과 함께 2단계 농축에 사용 |
대체 기술 | 보다 효율적인 기술 개발로 점차 대체 |
현대적 응용 | |
의료용 동위원소 생산 | 의료용 동위원소 생산에 제한적으로 사용 |
연구 | 질량 분석 연구에 활용 |
역사적 중요성 | 맨해튼 계획의 핵심 기술로서 역사적 중요성 보유 |
2. 역사적 배경
질량 분석법과 같은 원리로 로렌츠 힘에 의해 이온화된 우라늄의 동위 원소를 분리한다. 맨해튼 계획의 일환으로 오크리지 국립 연구소의 Y-12 국가 안보 복합 시설에 설치되어, 건 배럴형 원자 폭탄인 리틀 보이에 필요한 농축 우라늄을 제조했다[38][39].
우라늄 원자 폭탄 개발에 있어서 가장 큰 난관은 핵분열 연쇄 반응을 하는 우라늄-235가 천연 우라늄 중에 불과 0.7%밖에 포함되어 있지 않다는 점이었다. 따라서 천연 우라늄의 대부분을 차지하는 우라늄-238로부터 우라늄-235를 분리해야 했다. 우라늄-235와 우라늄-238은 화학적 성질은 완전히 같기 때문에 235 대 238이라는 미세한 질량 차이를 이용하여 분리해야 했다[40]。
원심 분리법이 검토되었지만, 당시에는 실험실 수준에서 동위 원소 농축에만 사용되었고, 고속 회전 베어링의 정밀도나 원심력을 견디는 장치가 불충분하여 기술적 해결에 시간이 걸릴 것으로 보여 채택은 보류되었다. 그 때문에 기술적인 문제 해결의 전망이 있는 전자기 농축법과 기체 확산법이 채택되었다.
전자기 분리의 원리는 전하를 띤 이온이 자기장에 의해 편향될 때 가벼운 이온이 무거운 이온보다 더 많이 편향된다는 것이다.
2. 1. 핵분열의 발견과 초기 연구
1938년, 독일의 화학자 오토 한과 프리츠 슈트라스만이 핵분열을 발견하고, 리제 마이트너와 오토 프리슈가 이를 이론적으로 설명하면서 핵무기 개발의 가능성이 열렸다.[1] 닐스 보어는 핵의 액체 방울 모델을 기반으로, 열중성자를 이용한 핵분열의 주된 원인이 우라늄-238이 아닌 우라늄-235 동위원소라고 이론화했다.[1]미네소타 대학교의 앨프레드 O. C. 니어는 1940년 4월에 질량 분석기를 사용하여 미량의 농축 우라늄-235를 만들었다. 존 R. 더닝, 아리스티드 폰 그로세, 유진 T. 부스는 보어의 이론이 옳다는 것을 확인했다.[1] 레오 실라르드와 월터 진은 핵분열당 1개 이상의 중성자가 방출된다는 것을 확인했고, 이는 핵연쇄 반응이 시작될 수 있다는 것을 거의 확실하게 만들었으며, 따라서 원자 폭탄 개발이 이론적으로 가능하다는 것을 의미했다. 특히 나치 독일의 독일 원자 폭탄 개발 계획에 대한 우려가 커졌다.
2. 2. 영국의 기여와 미국의 참여
1938년 독일의 화학자 오토 한과 프리츠 슈트라스만의 핵분열 발견 소식과 리제 마이트너와 오토 프리슈의 이론적 설명은 닐스 보어에 의해 미국으로 전해졌다. 레오 실라르드와 월터 진은 핵분열당 1개 이상의 중성자가 방출된다는 것을 확인했고, 이는 핵연쇄 반응이 시작될 수 있다는 것을 거의 확실하게 만들었고, 따라서 원자 폭탄 개발이 이론적으로 가능하다는 것을 의미했다.[1]영국 버밍엄 대학교에서 호주 물리학자 마크 올리펀트는 오토 프리슈와 루돌프 파이얼스에게 원자 폭탄의 실현 가능성을 조사하는 임무를 부여했다.[3] 1940년 3월 프리슈-파이얼스 메모는 우라늄-235의 임계 질량이 10kg 내외로, 당시의 폭격기로 운반할 수 있을 만큼 작다는 것을 나타냈다. 영국의 모드 위원회는 원자 폭탄 개발을 추진할 것을 만장일치로 권고했다. 영국은 미국에 자국의 과학 연구에 대한 접근을 제공하기로 제안했고, 티자드 미션의 존 코크로프트는 미국 과학자들에게 영국의 개발 상황을 설명했다. 그는 미국의 프로젝트가 영국보다 규모가 작고, 진전도 덜하다는 것을 발견했다.
이에 실망한 올리펀트는 미국으로 건너가 미국 과학자들과 면담했다. 이들 중에는 캘리포니아 대학교, 버클리의 로렌스 버클리 국립 연구소 방사선 연구소의 어니스트 로렌스가 있었다. 로렌스는 우라늄에 대한 자체 연구를 시작할 만큼 감명을 받았다.
모드 위원회는 기체 확산 공정을 통해 우라늄 농축을 수행할 것을 권고했지만,[2] 올리펀트는 1934년에 전자기 분리 기술을 개발했다. 전자기 분리의 원리는 전하를 띤 이온이 자기장에 의해 편향되며, 가벼운 이온이 무거운 이온보다 더 많이 편향된다는 것이다. 로렌스는 사이클로트론을 이용한 연구를 통해 전하를 띤 입자 빔을 정밀하게 제어한 경험을 바탕으로, 진공 챔버의 공기 분자가 이온을 중화시켜 빔을 집중시킬 것이라고 추측했다. 올리펀트는 로렌스에게 그의 사이클로트론을 동위원소 분리를 위한 거대한 질량 분석기로 전환하도록 영감을 주었다.
2. 3. 전자기적 동위원소 분리 연구
맨해튼 계획의 일환으로, 어니스트 로런스는 우라늄-235 분리를 위해 전자기적 방법을 선택하고 캘루트론 개발에 착수했다. 전자기 분리의 원리는 자기장에서 전하를 띤 이온이 편향될 때 가벼운 이온이 더 많이 편향된다는 것이다.[40] 로런스는 사이클로트론을 이용한 경험을 바탕으로, 진공 챔버 내 공기 분자가 이온을 중화시켜 빔을 집중시킬 것이라고 추측했다.184인치 자석을 이용한 실험은 XA라는 프로토타입 캘루트론의 건설로 이어졌다. 1942년 6월 25일, S-1 집행 위원회 회의에서 경제성과 보안을 위해 오크 리지에 전자기 공장을 건설하자는 제안이 나왔으나, 로런스는 버클리에 더 가까운 곳에 공장을 두고 싶어 반대했다. 이후 샤스타 댐 지역이 고려되었고, 로렌스는 반대를 철회했다.[11]
미국 육군은 1942년 9월 레슬리 R. 그로브스 주니어를 책임자로 하여 맨해튼 프로젝트를 맡았지만, 1943년 5월까지 캘리포니아 대학교와의 계약을 인수하지 않았다.[12] 1942년 10월부터 1943년 11월까지 그로브스는 버클리의 방사선 연구소를 매달 방문했다. 보고서에 따르면 전자기 공장은 다른 대안(기체 확산 공장이나 플루토늄 생산 원자로)보다 건설에 더 오래 걸리고, 더 희귀한 재료가 필요하며, 운영에 더 많은 인력과 전기가 필요하여 핵분열 물질의 비용이 훨씬 더 클 것이라고 했다. 그러나 전자기 과정은 작동한다는 것이 입증되었고, 즉시 핵분열 물질을 생산할 수 있는 단계로 건설될 수 있었다.
방사선 연구소는 생산 공장에 대한 예비 설계를 전달했지만, 무기급 우라늄은 90% 순도의 우라늄-235여야 한다는 로버트 오펜하이머의 주장에 따라, 두 번째 농축 단계(알파와 베타)를 거쳐야 했다.[10] 1943년 3월, 그로브스는 5개의 알파와 2개의 베타 랙 트랙 건설을 승인했고, 9월에는 4개의 알파 II 랙 트랙과 2개의 베타 랙 트랙을 추가로 승인했다.[10]

다른 연구자들도 전자기 동위원소 분리를 연구했으나, 캘루트론의 성공으로 인해 연구가 중단되거나 통합되었다.
3. 캘루트론의 개발과 설계
맨해튼 계획의 핵심 과제 중 하나였던 캘루트론 개발은 어니스트 로렌스가 고안한 것으로, 질량 분석법과 같은 원리로 작동한다. 이온화된 우라늄 동위 원소를 로렌츠 힘에 의해 분리하는데, 질량이 큰 우라늄-238은 원심력으로 바깥쪽 궤도를, 가벼운 우라늄-235는 안쪽 궤도를 통과하는 현상을 이용한다.[40]
1943년 2월 18일, Y-12라는 암호명으로 오크리지에 전자기 플랜트 건설이 시작되었다. 이 시설은 9개의 주요 공정 건물과 200개의 다른 구조물로 구성되었으며, 바닥 면적은 거의 80acres에 달했다. 부지는 주변 능선이 폭발이나 핵 사고를 막을 수 있기를 바라며 선택되었다.[13]
캘루트론은 가로, 세로 수 m, 두께 60cm의 사각형 철심 주변을 은선 코일에 전류를 흘려 전자석으로 만들고, 그 양쪽에 사각형 진공 탱크 2대를 연결하여 이온화된 사염화 우라늄 빔을 입사시켜 우라늄-235와 우라늄-238을 분리하는 장치였다.[40]
전자기 동위원소 분리 과정에는 구리가 필요했지만, 당시 구리는 매우 부족했다. 이에 제임스 C. 마셜 대령과 케네스 D. 니콜스 중령은 은을 구리의 11:10 비율로 대체할 수 있다는 것을 발견했다. 1942년 8월 3일, 니콜스는 재무부 차관 다니엘 W. 벨에게 웨스트포인트 금괴 보관소에서 은괴 이전을 요청했고, 결국 약 13335619.50kg의 은이 사용되었다.[13]
알파 경주로는 XA 캘루트론을 24배 확대한 것으로, 96개의 캘루트론 알파 탱크를 수용할 수 있었다. 캘루트론은 수직으로 세워져 안쪽과 바깥쪽 기계 쌍으로 서로 마주보게 배열되었다. 자기 손실을 최소화하고 강철 소비를 절약하기 위해 조립품은 37.19m 길이, 23.47m 너비, 4.57m 높이의 타원형으로 구부러졌다.[10]
베타 경주로는 더 작고 선형이며 생산보다는 회수를 위해 최적화되었으며, 36개의 공정 빈만 있었다. 4개의 알파 II 경주로도 선형으로 구성되었으며, 두 개가 아닌 네 개의 소스를 가진다는 가장 중요한 개선점을 포함하여 많은 개선 사항이 적용되었다.[10]
1943년 11월, 첫 번째 알파 공정 건물이 완공되었고, 첫 번째 경주로가 테스트를 위해 가동되었다. 그러나 자석의 힘 때문에 진공 탱크가 정렬에서 벗어나고, 자성 코일이 단락되는 등 여러 문제가 발생했다. 레슬리 그로브스는 경주로를 철거하고 자석을 청소 및 재조립하도록 명령했다.[13]
이후 1944년 1월부터 4월까지 두 번째, 세 번째, 네 번째 알파 경주로가 차례로 가동되었고, 6월에는 수정 사항이 적용된 다섯 번째 알파 경주로가 가동되었다. 알파 및 베타 화학 건물도 1944년 9월에 완공되었다.[13] 1943년 9월, 그로브스는 알파 II를 승인했고, 1944년 7월부터 10월까지 네 곳의 알파 II 경주로가 완공되었다. 알파 II 경주로는 타원형이 아닌 선형 레이아웃이었다.[13]
전체적으로 864개의 알파 캘루트론과 288개의 베타 캘루트론이 있었지만, 그 중 216개의 베타 캘루트론만 작동되었다.[13]
3. 1. 연구 개발 과정
캘루트론 공정이 작동한다는 것이 입증되었지만, 현장 테스트를 위해서는 상당한 노력이 필요했다. 어니스트 로렌스는 이 문제를 해결하기 위해 데이비드 보임, 에드워드 콘돈, 도널드 쿡시, A. 시어도어 포레스터, 어빙 랭뮤어, 케네스 로스 맥켄지, 프랭크 오펜하이머, J. 로버트 오펜하이머, 윌리엄 E. 파킨스, 버나드 피터스, 조셉 슬레피언 등 물리학자 팀을 구성했다.[10] 1943년 11월에는 해리 매시, 에릭 버홉, 조앤 커란, 토마스 앨리본 등 영국 원정대 과학자들이 합류하여 힘을 보탰다.[10]로렌스는 버클리에서 자석을 가진 대형 사이클로트론을 건설 중이었는데, 1942년 5월 26일에 처음 가동된 캘루트론으로 개조되었다.[10] 이 캘루트론은 위에서 보면 거대한 C자 모양이었고, 작업자는 개방된 끝에서 온도 조절, 전극 위치 조정, 부품 교체 등을 수행할 수 있었다. 이 캘루트론은 여러 이온원을 이용한 실험에 사용되었다.[10]
초기에는 빔 간섭으로 인한 진동(해시) 문제가 있었으나, 1942년 9월에 간섭을 최소화하는 배열이 고안되어 비교적 양호한 빔이 생성되었다. 로버트 오펜하이머와 스탠 프랑켈은 자기장의 균질성을 조정하는 자기 심을 발명했다.[6] 이것은 진공 탱크 상하단에 볼트로 고정된 폭의 철 시트로, 이온 빔을 집중시키는 방식으로 자기장을 조절했다. 1943년까지 심에 대한 연구가 계속되었다.[10]
버홉과 보임은 자기장 내 전기 방전 특성을 연구하여 보임 확산을 발견했고, 이들의 연구는 핵융합 연구에 활용되었다.[9] 이 외에도 냉각수 시스템 추가, 진공 탱크 청소 절차 개발, 슬릿 막힘 문제 해결 등 다양한 기술적 문제가 해결되었다.[10]
화학자들은 산화 우라늄에서 사염화 우라늄을 생산하는 방법을 개발해야 했다.[10] 초기에는 수소로 삼산화 우라늄을 이산화 우라늄으로 환원시킨 후 사염화 탄소와 반응시키는 방법을 사용했으나, 찰스 A. 크라우스가 고온, 고압에서 산화 우라늄을 사염화 탄소와 반응시키는 더 효율적인 방법을 제안했다. 이 과정에서 오염화 우라늄과 포스겐이 생성되었다. 사염화 우라늄은 조해성이 있어 글러브 박스에서 작업해야 했고, 포스겐은 제1차 세계 대전 당시 화학 무기로 사용된 치명적인 가스였기 때문에 화학자들은 가스 마스크를 착용해야 했다.[10]
3. 2. 설계 및 구조
캘루트론은 이온원, 진공 챔버, 자석, 수집기로 구성된다. 사염화 우라늄은 필라멘트에 의해 이온화된 후 진공 챔버로 통과하고, 자석에 의해 이온 빔이 180° 편향된다. 농축 및 고갈된 빔은 수집기로 들어가 분리된다.[40]초기 캘루트론은 낮은 수율과 공간 전하 제한 문제를 겪었으나, 진공 챔버 내 공기 분자의 영향으로 빔이 안정화되면서 개선되었다.
어니스트 로렌스에 의해 고안되었으며, 질량 분석법과 같은 원리로 작동한다. 이온화된 우라늄의 동위 원소는 로렌츠 힘에 의해 분리된다. 질량이 큰 우라늄-238은 원심력으로 바깥쪽 궤도를, 가벼운 우라늄-235는 안쪽 궤도를 통과하는 현상을 이용한다.[40]
캘루트론은 가로, 세로 수 m, 두께 60cm의 사각형 철심 주변을 은선 코일에 전류를 흘려 전자석으로 만들고, 그 양쪽에 사각형 진공 탱크 2대를 연결하여 이온화된 사염화 우라늄 빔을 입사시켜 우라늄-235와 우라늄-238을 분리하는 장치이다. 사용된 사염화 우라늄은 흡습성이 있으므로, 오산화 인으로 탈수할 필요가 있었다. 또한, 제조 과정에서 포스겐을 포함하고 있었기 때문에, 작업자는 방독면을 착용하고 작업해야 했다.[40]
알파 경주로는 XA 캘루트론을 24배 확대한 것으로, 96개의 캘루트론 알파 탱크를 수용할 수 있었다. 캘루트론은 수직으로 세워져 안쪽과 바깥쪽 기계 쌍으로 서로 마주보게 배열되었다. 자기 손실을 최소화하고 강철 소비를 절약하기 위해 조립품은 37.19m 길이, 23.47m 너비, 4.57m 높이의 타원형으로 구부러졌다.[10]
베타 경주로는 더 작고 선형이며 생산보다는 회수를 위해 최적화되었으며, 96개 대신 36개의 공정 빈만 있었다. 4개의 알파 II 경주로도 선형으로 구성되었다. 여기에는 두 개가 아닌 네 개의 소스를 가진다는 가장 중요한 개선점을 포함하여 많은 개선 사항이 적용되었다.[10] 또한 개선된 자석 및 진공 시스템을 갖추고 있었다.
4. 맨해튼 프로젝트와 Y-12
캘루트론은 질량 분석법과 같은 원리로 로렌츠 힘에 의해 이온화된 우라늄의 동위 원소를 분리한다. 맨해튼 계획의 일환으로 오크리지 국립 연구소의 Y-12 국가 안보 복합 시설에 설치되어, 건 배럴형 원자 폭탄인 리틀 보이에 필요한 농축 우라늄을 제조했다.[38][39]
우라늄 원자 폭탄 개발에서 가장 큰 난관은 핵분열 연쇄 반응을 하는 우라늄-235가 천연 우라늄 중에 불과 0.7%밖에 포함되어 있지 않다는 점이었다. 따라서 천연 우라늄의 대부분을 차지하는 우라늄-238로부터 분리해야 했다. 우라늄-235와 우라늄-238은 화학적 성질은 완전히 같기 때문에 미세한 질량 차이(235 대 238)를 이용하여 분리해야 했다.[40]
맨해튼 계획 당시 Y-12 시설에서는 전자기 농축법을 사용하여 우라늄-235를 분리 및 농축했다. 이 과정에서 캘루트론이라는 장치가 사용되었으며, 알파(α)와 베타(β) 두 가지 유형의 캘루트론이 개발되었다. 알파 I 캘루트론은 초기 모델로, 타원형 경주로 모양으로 설계되었으며 총 5개의 경주로가 건설되었다. 알파 II 캘루트론은 개선된 모델로, 4개의 선형 경주로가 건설되었다. 베타 캘루트론은 알파 캘루트론에서 농축된 우라늄을 더 높은 농도로 농축하기 위해 설계되었다.
1944년 3월, 로스앨러모스 연구소에 13~15% 농축된 우라늄-235 알파 제품이 처음으로 선적되었다. 이후 지속적인 생산을 통해 1944년 6월에는 89% 농축된 무기급 우라늄 베타 제품을 생산하는 데 성공했다. 캘루트론에서 농축된 우라늄은 1945년 8월 히로시마 원자 폭탄 투하에 사용된 리틀 보이 원자 폭탄의 핵분열성 물질로 사용되었다.[10]
1945년 9월까지 캘루트론은 평균 84.5% 농축된 88kg의 제품을 생산했으며, 베타 경주로는 연말까지 95%로 농축된 953kg의 제품을 추가로 생산했다.[10]
4. 1. 건설 과정
오크리지 국립 연구소에 전자기 플랜트(Y-12) 건설이 시작되어 여러 개의 주요 공정 건물과 부속 구조물이 건설되었다.[10] 지반 문제, 자재 부족 등 여러 어려움이 있었지만, 은을 대체재로 사용하는 등 창의적인 해결책이 동원되었다.XA 캘루트론을 24배 확대한 알파 경주로는 96개의 캘루트론 알파 탱크를 수용할 수 있었다. 캘루트론은 수직으로 세워져 안쪽과 바깥쪽 기계 쌍으로 서로 마주보게 배열되었다. 자기 손실을 최소화하고 강철 소비를 절약하기 위해 조립품은 경주로 모양으로 약 37.19m(37.19m) 길이, 약 23.47m(23.47m) 너비, 약 4.57m(4.57m) 높이의 타원형으로 구부러졌다.[10] 두 개의 알파 I 건물(9201-1 및 9201-2)에는 각각 두 개의 경주로가 있었고, 알파 I (9201-3)에는 한 개만 있었다. 베타 경주로는 더 작고 선형이며 생산보다는 회수를 위해 최적화되었으며, 96개 대신 36개의 공정 빈만 있었다. 4개의 알파 II 경주로도 선형으로 구성되었으며, 개선된 자석 및 진공 시스템을 갖추고 있었다.
테네시 이스트만은 Y-12를 관리하기 위해 고용되었으며, 근로자는 녹스빌 지역에서 모집되었다. 전형적인 신규 채용자는 지역 고등학교를 갓 졸업한 젊은 여성이었다. 교육은 처음에 테네시 대학교에서 실시되었고, 이후 버클리와 오크리지로 옮겨졌다.
캘루트론은 처음에 버클리의 과학자들이 운영하여 버그를 제거하고 합리적인 작동률을 달성한 후, 테네시 이스트만 운영자들이 인계했다. 젊은 "시골뜨기" 소녀 운영자들이 과학자들보다 더 많은 생산량을 내는 경우도 있었다.
한동안 캘루트론은 일련의 쇠약한 고장과 장비 고장으로 고통받았으며, 예비 부품 부족으로 악화되었다. 알파 II 경주로가 더 안정적일 것이라는 희망은 절연체 고장으로 인해 곧 사라졌지만, 이러한 문제는 점차 극복되었다.
주요 문제는 공급 물질과 제품의 손실이었다. 특별한 노력을 통해 제품을 회수하려 했지만, 알파 제품의 약 17.4%와 베타 제품의 5.4%가 손실되었다. 프랭크 스페딩과 필립 백스터가 회수 방법 개선에 대한 조언을 위해 파견되었다. 포스겐에 노출되어 노동자가 사망한 사건으로 인해 더 안전한 생산 공정을 찾게 되었다.
맨해튼 계획 당시에는 전자석에 사용되는 구리는 전략 물자로 사용이 제한되었으므로, 미국 재무부로부터 1만 3540톤의 은을 빌려 건설했다.[40] 은선이 전기 저항이 적기 때문에, 결과적으로 소비 전력의 절감에 기여했다.
때때로 단락되거나 진공 누설이 발생해도 거대한 장치였기 때문에 찾는 것이 곤란했으며, 게다가 정밀함이 요구되는 장치였다.
4. 2. 운영 및 생산
테네시 이스트만(Tennessee Eastman)이 Y-12를 관리했으며, 비용에 고정 수수료를 더한 방식으로 운영되었다. 첫 7개 경주로에 대해서는 월 22500USD를, 추가 경주로당 7500USD를, 그리고 추가 경주로당 4000USD의 수수료를 받았다.[10] 근로자는 녹스빌(Knoxville) 지역에서 모집되었으며, 주로 지역 고등학교를 갓 졸업한 젊은 여성들이 채용되었다. 초기 교육은 테네시 대학교에서 실시되었고, 이후 버클리(Berkeley)를 거쳐 오크리지로 이동했다. 모든 알파 II 캘루트론이 가동되면서 약 2,500명의 운영자가 필요하게 되었다. Y-12의 테네시 이스트만 직원 수는 1944년 중반 10,000명에서 1945년 8월 22,482명으로 급증했다. 보안상의 이유로 훈련생들은 교육받은 장비의 목적을 알지 못했다.[10]캘루트론은 초기에는 버클리의 과학자들이 운영하여 문제점을 해결하고 작동률을 높였다. 이후 테네시 이스트만 운영자들이 인계받았다. 니콜스는 단위 생산 데이터를 비교하여 젊은 "시골뜨기" 소녀 운영자들이 박사 학위 소지자들보다 더 높은 생산량을 보인다고 로렌스에게 지적했다. 생산 경쟁 결과, 로렌스가 패배했고, 이는 "캘루트론 걸"(당시에는 큐비클 운영자라고 불렸음)과 감독자들의 사기를 높이는 계기가 되었다. 여성들은 군인처럼 이유를 생각하지 않고 훈련받았기 때문에, 과학자들처럼 사소한 변동에 대한 시간 소모적인 조사를 하지 않았다.[10]
한동안 캘루트론은 잦은 고장과 장비 문제, 예비 부품 부족으로 어려움을 겪었다. 알파 II 경주로가 더 안정적일 것이라는 기대는 절연체 고장으로 인해 곧 사라졌지만, 이러한 문제들은 점차 해결되었다. 로스앨러모스 연구소로의 첫 농축 우라늄 선적은 1944년 3월에 이루어졌으며, 13~15% 우라늄-235로 농축된 알파 제품이었다. 이는 폭탄에는 사용할 수 없었지만, 농축 우라늄 실험에 긴급하게 필요했다. 1944년 5월 11일에 알파 제품의 마지막 선적이 이루어졌고, 1944년 6월 7일에는 최대 89% 우라늄-235로 농축된 무기급 우라늄 베타 제품이 처음으로 인도되었다.[10]
주요 문제는 공급 물질과 제품의 손실이었다. 공급 물질 5,825개 중 1개만이 완제품이 되었다. 약 90%는 공급 병이나 진공 탱크에 튀었다. 이 문제는 베타 캘루트론의 농축 공급에서 특히 심각했다. 탄소 수신기 라이너를 태워 우라늄을 회수하는 등 특별한 노력이 이루어졌지만, 알파 제품의 약 17.4%와 베타 제품의 5.4%가 손실되었다. 프랭크 스페딩(에임스 연구소)과 필립 백스터(영국 대표단)가 회수 방법 개선을 위해 파견되었다.[10] 포스겐에 노출되어 노동자가 사망한 사건으로 인해 더 안전한 생산 공정을 찾게 되었다.[10]
1945년 2월, S-50 액체 열 확산 공장에서 1.4% 농축된 우라늄-235 공급 물질이 도착하기 시작했다. S-50 제품 선적은 4월에 중단되었고, 대신 K-25에 공급되었다.[10] 1945년 3월, Y-12는 K-25에서 5% 농축된 공급을 받기 시작했다.[10] 이 공장의 출력은 육불화우라늄(UF6) 형태였으며, 이를 삼산화우라늄으로 전환한 후 다시 사염화우라늄으로 전환하는 일반적인 공정을 거쳤다.[10] 1945년 8월 5일, K-25는 23% 농축된 공급을 생산하기 시작했으며, 이는 베타 경주로에 직접 공급하기에 충분했다. 남은 알파 제품은 K-25에 공급되었다. 1945년 9월까지 캘루트론은 평균 84.5% 농축된 88kg의 제품을 생산했으며, 베타 경주로는 연말까지 95% 농축된 953kg의 제품을 추가로 생산했다.[10] 캘루트론에서 농축된 우라늄은 1945년 8월 히로시마 원자 폭탄 투하에 사용된 리틀 보이 원자 폭탄의 핵분열성 물질을 제공했다.[10]
5. 전후의 발전과 영향
Y-12의 노동 인구는 1945년 8월 21일 22,482명으로 정점을 찍었으나, 1949년에는 1,700명 미만으로 감소했다.[16] 9731동의 XAX 및 XBX 훈련 트랙과 9204-3동의 베타 3 경주로를 제외한 모든 캘루트론은 제거 및 해체되었다.[17][18] 1947년, 오크리지 국립 연구소(ORNL) 소장 유진 위그너는 미국 원자력 위원회에 베타 캘루트론을 사용하여 물리학 실험용 동위원소를 생산할 수 있도록 허가를 요청했고, 승인되어 다양한 동위원소가 생산되었다. 베타 캘루트론에서 생산된 리튬-6은 열핵무기 연구에 사용되었다. 다른 많은 동위원소는 평화적 과학 및 의학적 목적으로 사용되었다.[18] 1950년대 중반까지 베타 캘루트론은 오스뮴 동위원소를 제외한 모든 자연 발생 안정 동위원소를 생산했다. 캘루트론은 1998년까지 동위원소를 계속 생산했으며, 2015년 기준으로 여전히 대기 상태에 있다.[19][20]
소련은 미국과 마찬가지로 소련 원자 폭탄 프로젝트를 위해 캘루트론을 이용한 전자기 공정을 연구했다. 1946년 독일에서 가져온 자석을 사용해 시험적인 전자기 공정을 수행했고, 1948년 스베르들로프스크-45에 파일럿 플랜트(플랜트 418)를 완공했다.[21][22] 이 플랜트는 기체 확산 공정에서 기술적 어려움이 발생했을 때 우라늄 농축 공정을 완료하는 데 사용되었다. 1950년 기체 확산 공정 문제가 해결된 후, 본격적인 전자기 공장은 진행하지 않기로 결정했지만, 여전히 가동 중이다.[18]
1960년대 초, 중국 원자 에너지 연구소는 베이징에 소련과 동일한 설계의 연구 및 생산용 캘루트론 4기를 건설했다.[25][26][27]
영국은 원자력 연구소(Atomic Energy Research Establishment) 옥스퍼드셔주 하웰에 베타 캘루트론과 유사한 캘루트론을 건설했다. 캐펀허스트의 기체 확산 설비 성공으로 전자기 분리를 추진하지 않았고, 캘루트론은 연구용 동위원소 분리에 사용되었다. 이후 하웰은 90° 캘루트론인 HERMES를 건설했다.[28]
이스라엘, 일본, 프랑스도 몇몇 연구용 캘루트론을 건설했다. CERN의 온라인 동위원소 질량 분리기 검출기(ISOLDE)도 1967년에 건설되었다.[31]
인도는 1974년 5월 18일 인도의 첫 핵실험을 위한 플루토늄 생산에 사하 핵물리학 연구소의 캘루트론을 사용했다.[21][32]
이라크는 우라늄 농축을 위해 캘루트론 프로그램을 추진했으나, 1990-91년 걸프 전쟁으로 인해 파괴되었다.[33] 이라크는 캘루트론 건설이 더 쉽고 기술적 어려움이 적으며, 부품이 수출 통제 대상이 아니라는 이유로 전자기 공정을 선택했다. 이 사건으로 핵 공급국 그룹은 전자기 분리 장비를 핵 관련 이중 용도 장비, 물질 및 기술 이전에 대한 지침에 추가했다.[35][36]
5. 1. 전후의 캘루트론 운영

Y-12의 노동 인구는 1945년 8월 21일 22,482명으로 정점을 찍었다가 1949년에는 1,700명 미만으로 감소했다.[16] 9731동의 XAX 및 XBX 훈련 트랙과 9204-3동의 베타 3 경주로를 제외한 모든 캘루트론은 제거 및 해체되었다.[17][18] 1947년, 오크리지 국립 연구소(ORNL)의 소장인 유진 위그너는 미국 원자력 위원회에 베타 캘루트론을 사용하여 물리학 실험용 동위원소를 생산할 수 있도록 허가를 요청했고, 승인되어 다양한 동위원소가 생산되었다. 베타 캘루트론에서 생산된 리튬-6은 열핵무기 연구에 사용되었다. 다른 많은 동위원소는 평화적 과학 및 의학적 목적으로 사용되었다. 베타 3 경주로는 1950년 3월에 ORNL로 이전되었다.[18] 1950년대 중반까지 베타 캘루트론은 1960년 4월까지 기다려야 했던 오스뮴 동위원소를 제외한 모든 자연 발생 안정 동위원소를 생산했다. 캘루트론은 1998년까지 동위원소를 계속 생산했다.[19] 2015년 기준으로, 여전히 대기 상태에 있다.[20]
5. 2. 다른 국가들의 캘루트론 개발
소련은 미국과 마찬가지로 소련 원자 폭탄 프로젝트를 위해 캘루트론을 이용한 전자기 공정을 연구했다. 1946년에는 독일에서 가져온 자석을 사용해 시험적인 전자기 공정을 수행했고, 스베르들로프스크-45에 파일럿 플랜트(플랜트 418)를 1948년에 완공했다.[21][22] 이 플랜트는 기체 확산 공정에서 기술적 어려움이 발생했을 때 우라늄 농축 공정을 완료하는 데 사용되었다. 약 40% 농축된 우라늄-235를 92~98%까지 농축하는 데 사용되었다. 1950년 기체 확산 공정 문제가 해결된 후, 본격적인 전자기 공장은 진행하지 않기로 결정했지만, 여전히 가동 중이다.[18] 1969년에는 아르자마스-16에 중원소 동위원소 분리를 위한 연구용 캘루트론(S-2)이 건설되었다.[21][23][24]1960년대 초, 중국 원자 에너지 연구소는 베이징에 소련과 동일한 설계의 연구 및 생산용 캘루트론 4기를 건설했다.[25][26][27]
1945년, 영국은 원자력 연구소(Atomic Energy Research Establishment) 옥스퍼드셔주 하웰에 베타 캘루트론과 유사한 180° 캘루트론을 건설했다. 캐펀허스트의 기체 확산 설비 성공으로 전자기 분리를 추진하지 않았고, 캘루트론은 연구용 동위원소 분리에 사용되었다. 이후 하웰은 90° 캘루트론인 HERMES를 건설했다.[28] 이는 프랑스의 SIDONIE와 PARIS 분리기, PARSIFAL에서 영감을 받았다.[29][30]
이스라엘, 일본, 프랑스도 소레크 원자력 연구 센터의 SOLIS 및 MEIRA 분리기를 포함한 몇몇 연구용 캘루트론을 건설했다. CERN의 온라인 동위원소 질량 분리기 검출기(ISOLDE)도 1967년에 건설되었다.[31]
인도는 1974년 5월 18일 인도의 첫 핵실험을 위한 플루토늄 생산에 사하 핵물리학 연구소의 캘루트론을 사용했다.[21][32]
이라크는 우라늄 농축을 위해 캘루트론 프로그램을 추진했으나, 1990-91년 걸프 전쟁으로 인해 파괴되었다.[33] 이라크는 캘루트론 건설이 더 쉽고 기술적 어려움이 적으며, 부품이 수출 통제 대상이 아니라는 이유로 전자기 공정을 선택했다. 프로그램 발견 당시 핵무기 제조에 충분한 물질을 생산하는 데 2~3년 정도 남은 것으로 추정되었다. 이 사건으로 핵 공급국 그룹은 전자기 분리 장비를 핵 관련 이중 용도 장비, 물질 및 기술 이전에 대한 지침에 추가했다.[35][36]
5. 3. 한국의 핵 개발과 캘루트론
1974년 5월 18일, 인도는 사하 핵물리학 연구소의 캘루트론을 이용하여 플루토늄을 생산하고, 첫 핵실험을 실시했다.[21][32]참조
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