إس-50 (مشروع مانهاتن)

كان مشروع S-50 جهدًا ضمن مشروع مانهاتن لإنتاج اليورانيوم المخصب عن طريق الانتشار الحراري السائل خلال الحرب العالمية الثانية . وكان أحد ثلاث تقنيات لتخصيب اليورانيوم سعى إليها مشروع مانهاتن.

لم تكن عملية الانتشار الحراري السائل من بين تقنيات التخصيب المختارة مبدئيًا لمشروع مانهاتن، بل طُوّرت بشكل مستقل من قِبل فيليب إتش. أبيلسون وعلماء آخرين في مختبر الأبحاث البحرية الأمريكي . ويعود ذلك أساسًا إلى الشكوك حول الجدوى التقنية للعملية، ولكن التنافس بين الجيش الأمريكي والبحرية الأمريكية لعب دورًا أيضًا.

أُنشئت محطات تجريبية في قاعدة أناكوستيا الجوية البحرية وحوض بناء السفن التابع للبحرية في فيلادلفيا ، ومنشأة إنتاج في شركة كلينتون للهندسة في أوك ريدج، تينيسي . وكانت هذه المحطة الوحيدة التي بُنيت على نطاق إنتاجي واسع النطاق لإنتاج اليورانيوم بتقنية الانتشار الحراري السائل. لم تكن قادرة على تخصيب اليورانيوم بدرجة كافية لاستخدامه في القنبلة الذرية ، لكنها كانت قادرة على توفير تغذية مخصبة قليلاً لأجهزة كاليترون Y-12 ومحطات الانتشار الغازي K-25 . وتشير التقديرات إلى أن محطة S-50 قد سرّعت إنتاج اليورانيوم المخصب المستخدم في قنبلة "ليتل بوي" التي استُخدمت في القصف الذري لهيروشيما بمقدار أسبوع.

توقف مصنع إس-50 عن الإنتاج في سبتمبر 1945، لكن أعيد افتتاحه في مايو 1946، واستُخدم من قبل مشروع الطاقة النووية لدفع الطائرات (NEPA) التابع للقوات الجوية للجيش الأمريكي . وهُدم المصنع في أواخر الأربعينيات.

أدى اكتشاف النيوترون على يد جيمس تشادويك عام 1932، ^{[ 1 ]} ثم اكتشاف الانشطار النووي في اليورانيوم على يد الكيميائيين الألمانيين أوتو هان وفريتز ستراسمان عام 1938، ^{[ 2 ]} وتفسيره النظري (وتسميته) من قبل ليز مايتنر وأوتو روبرت فريش بعد ذلك بوقت قصير، ^{[ 3 ]} إلى فتح الباب أمام إمكانية حدوث تفاعل نووي متسلسل مع اليورانيوم. ^{[ 1 ]} وقد عبّر العلماء، وخاصة اللاجئون من ألمانيا النازية وغيرها من الدول الفاشية، عن مخاوفهم من أن يؤدي مشروع القنبلة الذرية الألماني إلى تطوير أسلحة نووية ، وذلك في رسالة أينشتاين-سيلارد . وقد حفّز هذا الأمر إجراء أبحاث أولية في الولايات المتحدة في أواخر عام 1939. ^{[ 4 ]}

طبّق نيلز بور وجون أرشيبالد ويلر نموذج القطرة السائلة لنواة الذرة لشرح آلية الانشطار النووي. ^{[ 5 ]} أثناء دراسة الفيزيائيين التجريبيين للانشطار، اكتشفوا نتائج محيرة. سأل جورج بلاكزيك بور عن سبب انشطار اليورانيوم على ما يبدو مع كل من النيوترونات السريعة والبطيئة. وفي طريقه إلى اجتماع مع ويلر، توصل بور إلى فكرة مفادها أن الانشطار عند الطاقات المنخفضة يعود إلى نظير اليورانيوم-235 ، بينما عند الطاقات العالية يعود بشكل رئيسي إلى نظير اليورانيوم-238 الأكثر وفرة . ^{[ 6 ]} يشكل الأول 0.714% من ذرات اليورانيوم في اليورانيوم الطبيعي، أي ما يقارب ذرة واحدة من كل 140 ذرة؛ ويتكون اليورانيوم الطبيعي من 99.28% من اليورانيوم-238. كما توجد كمية ضئيلة من اليورانيوم-234 ، بنسبة 0.006%. ^{[ 7 ]}

في جامعة برمنغهام ببريطانيا، كلف الفيزيائي الأسترالي مارك أوليفانت فيزيائيين لاجئين - فريش ورودولف بيرلز - بمهمة دراسة جدوى صنع قنبلة ذرية، ومن المفارقات أن كونهما أجنبيين من دول معادية حال دون عملهما في مشاريع سرية مثل الرادار . ^{[ 8 ]} أشارت مذكرة فريش-بيرلز المؤرخة في مارس 1940 إلى أن الكتلة الحرجة لليورانيوم-235 كانت في حدود 10  كيلوغرامات، وهي كتلة صغيرة بما يكفي لحملها بواسطة قاذفة قنابل في ذلك الوقت. ^{[ 9 ]} اكتسب البحث في كيفية تحقيق فصل نظائر اليورانيوم ( تخصيب اليورانيوم ) أهمية بالغة. ^{[ 10 ]} كانت فكرة فريش الأولى حول كيفية تحقيق ذلك هي الانتشار الحراري السائل. ^{[ 11 ]}

استندت عملية الانتشار الحراري للسوائل إلى اكتشاف كارل لودفيج عام 1856، ثم تشارلز سوريه عام 1879، أنه عند الحفاظ على تدرج حراري في محلول ملحي متجانس في الأصل ، فإنه بعد فترة من الزمن، سيظهر تدرج في التركيز في المحلول أيضًا. يُعرف هذا بتأثير سوريه . ^{[ 12 ]} طور ديفيد إنسكوج عام 1911 وسيدني تشابمان عام 1916 بشكل مستقل نظرية تشابمان-إنسكوج ، التي أوضحت أنه عندما يمر خليط من غازين عبر تدرج حراري، يميل الغاز الأثقل إلى التمركز عند الطرف البارد والغاز الأخف عند الطرف الدافئ. وقد تم تأكيد ذلك تجريبيًا من قبل تشابمان وإف دبليو دوتسون عام 1916. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

بما أن الغازات الساخنة تميل إلى الصعود والغازات الباردة تميل إلى الهبوط، يمكن استخدام هذه الظاهرة كوسيلة لفصل النظائر . وقد أثبت كلاوس كلوسيوس وجيرهارد ديكل هذه العملية لأول مرة في ألمانيا عام 1938، حيث استخدماها لفصل نظائر النيون . استخدما جهازًا يُسمى "العمود"، ويتكون من أنبوب رأسي يمر به سلك ساخن في مركزه. ^{[ 16 ] [ 17 ]} وفي الولايات المتحدة، قام آرثر براملي في وزارة الزراعة الأمريكية بتطوير هذا التصميم باستخدام أنابيب متحدة المركز ذات درجات حرارة مختلفة. ^{[ 18 ]}

كان فيليب هـ. أبيلسون فيزيائيًا شابًا حصل على درجة الدكتوراه من جامعة كاليفورنيا في 8 مايو 1939. ^{[ 18 ]} وكان من أوائل العلماء الأمريكيين الذين تحققوا من الانشطار النووي، ^{[ 19 ]} ونشر نتائجه في مقالٍ قُدِّم إلى مجلة " فيزيكال ريفيو" في فبراير 1939، ^{[ 20 ]} وتعاون مع إدوين ماكميلان في اكتشاف النبتونيوم . ^{[ 21 ] [ 22 ]} بعد عودته إلى مؤسسة كارنيجي في واشنطن العاصمة، حيث كان يشغل منصبًا، أبدى اهتمامًا بفصل النظائر. في يوليو 1940، عرض عليه روس غان من مختبر الأبحاث البحرية الأمريكي (NRL) ورقة بحثية نُشرت عام 1939 حول هذا الموضوع بقلم هارولد أوري ، فأثار ذلك اهتمام أبيلسون بإمكانية استخدام عملية الانتشار الحراري السائل. ^{[ 18 ]} وبدأ تجاربه على هذه العملية في قسم المغناطيسية الأرضية بمؤسسة كارنيجي. باستخدام كلوريد البوتاسيوم (KCl) وبروميد البوتاسيوم (KBr) وكبريتات البوتاسيوم ( K₂ SO₄ )وثنائي كرومات البوتاسيوم(K₂ كرور₂ O₇ )، تمكن من تحقيق عامل فصل قدره 1.2 (20 بالمائة)البوتاسيوم-39والبوتاسيوم-41. ^{[ 23 ]}

كانت الخطوة التالية هي تكرار التجارب باستخدام اليورانيوم. درس العملية باستخدام محاليل مائية لأملاح اليورانيوم، لكنه وجد أنها تميل إلى التحلل المائي في العمود. فقط سداسي فلوريد اليورانيوم ( UF6)₆ ) بدا مناسبًا. في سبتمبر 1940، تواصل أبيلسون مع روس غانوليمان ج. بريغز، مديرالمكتب الوطني للمعايير، وكلاهما كانا عضوين فياليورانيومالتابعةأبحاث الدفاع الوطني. وافق مختبر الأبحاث الوطني على توفير 2500 دولار لمؤسسة كارنيجي لتمكين أبيلسون من مواصلة عمله، وفي أكتوبر 1940، رتب بريغز لنقله إلى مكتب المعايير، حيث توجد مرافق أفضل. ^{[ 23 ]}

لم يكن سداسي فلوريد اليورانيوم متوفرًا بسهولة، لذا ابتكر أبيلسون طريقته الخاصة لإنتاجه بكميات كبيرة في مختبر الأبحاث البحرية (NRL)، وذلك من خلال فلورة رباعي فلوريد اليورانيوم، الذي يُنتج بسهولة أكبر، عند درجة حرارة 350 درجة مئوية (662 درجة فهرنهايت) . ^{[ 24 ] [ 23 ]} في البداية، زوّد هذا المصنع الصغير سداسي فلوريد اليورانيوم للأبحاث في جامعة كولومبيا وجامعة فرجينيا ومختبر الأبحاث البحرية. في عام 1941، قدّم غان وأبيلسون طلبية لشراء سداسي فلوريد اليورانيوم من شركة هارشو الكيميائية في كليفلاند، أوهايو ، باستخدام عملية أبيلسون. في أوائل عام 1942، منحت لجنة التنمية والإصلاح الوطنية (NDRC) شركة هارشو عقدًا لبناء مصنع تجريبي لإنتاج 4.5 كيلوغرامات (10 أرطال) من سداسي فلوريد اليورانيوم يوميًا. بحلول ربيع عام 1942، كان مصنع هارشو التجريبي لإنتاج سادس فلوريد اليورانيوم يعمل بكامل طاقته، وبدأت شركة دوبونت أيضاً تجاربها في استخدام هذه العملية. وسرعان ما ارتفع الطلب على سادس فلوريد اليورانيوم بشكل حاد، فزادت كل من هارشو ودوبونت الإنتاج لتلبية هذا الطلب. ^{[ 25 ]}   

أقام أبيلسون أحد عشر عمودًا في مكتب المعايير، يبلغ قطر كل منها حوالي 38 ملم (1.5 بوصة) ، ويتراوح ارتفاعها بين 0.61 و3.66 متر (2 إلى 12 قدمًا ) . أُجريت تجارب باستخدام أملاح البوتاسيوم، ثم في أبريل 1941، باستخدام سادس فلوريد اليورانيوم. في 1 يونيو 1941، انضم أبيلسون إلى مختبر الأبحاث البحرية (NRL) وانتقل إلى محطة أناكوستيا الجوية البحرية . في سبتمبر 1941، انضم إليه جون آي. هوفر، الذي أصبح نائبه. أنشأ الاثنان هناك محطة تجريبية بأعمدة يبلغ ارتفاعها 11 مترًا (36 قدمًا) . ^{[ 24 ] [ 23 ]} وتم توفير البخار بواسطة غلاية تعمل بالغاز بقدرة 15 كيلوواط (20 حصانًا) . ^{[ 26 ]} تمكنوا من فصل نظائر الكلور ، لكن الجهاز تعطل في نوفمبر/تشرين الثاني بسبب نواتج تحلل رابع كلوريد الكربون . ^{[ 24 ] [ 23 ]} أشارت التجربة التالية إلى فصل بنسبة 2.5%، ووُجد أن المسافة المثلى بين الأعمدة تتراوح بين 0.21 و0.38 مليمتر (0.0083 و0.0150 بوصة) . ^{[ 24 ]} اعتبر أبيلسون تجربة أجريت في 22 يونيو/حزيران، وحققت نسبة فصل 9.6%، أول اختبار ناجح للانتشار الحراري السائل باستخدام سداسي فلوريد اليورانيوم. وفي يوليو/تموز، تمكن من تحقيق نسبة فصل 21%. ^{[ 27 ]}     

أذنت مختبرات الأبحاث البحرية (NRL) بإنشاء محطة تجريبية في يوليو 1942، وبدأت تشغيلها في 15 نوفمبر. ^{[ 23 ]} استُخدمت هذه المرة أربعة عشر عمودًا بطول 48 قدمًا (15 مترًا) ، بمسافة فاصلة قدرها 25 مليمترًا (0.98 بوصة) بينها. عملت المحطة التجريبية دون انقطاع من 3 إلى 17 ديسمبر 1942. ^{[ 28 ]} زار العقيد ليزلي ر. غروفز الابن ، الذي عُيّن لتولي مسؤولية ما سيُعرف لاحقًا بمشروع مانهاتن (لكنه لم يفعل ذلك إلا بعد يومين)، المحطة التجريبية برفقة نائب مهندس منطقة مانهاتن، المقدم كينيث د. نيكولز، في 21 سبتمبر، وتحدث مع غان والأميرال هارولد ج. بوين الأب ، مدير مختبرات الأبحاث البحرية. غادر غروفز بانطباع أن المشروع لم يُتابع بالسرعة الكافية. ^{[ 29 ] [ 30 ]} تم توسيع المشروع، وانضم إليه ناثان روزن كفيزيائي نظري. ^{[ 23 ]} زار غروفز المحطة التجريبية مرة أخرى في 10 ديسمبر 1942، هذه المرة برفقة وارن ك. لويس ، أستاذ الهندسة الكيميائية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وثلاثة موظفين من شركة دوبونت. أوصى لويس في تقريره بمواصلة العمل. ^{[ 28 ]}  

حلت اللجنة التنفيذية S-1 محل لجنة اليورانيوم في 19 يونيو 1942، واستبعدت غان من عضويتها في هذه العملية. ^{[ 31 ]} نظرت اللجنة في تقرير لويس، وأحالت توصيتها إلى فانيفار بوش ، مدير مكتب البحث والتطوير العلمي (OSRD)، الذي كانت اللجنة التنفيذية S-1 جزءًا منه. ^{[ 32 ]} لم تكن العلاقة بين مكتب البحث والتطوير العلمي ومختبر الأبحاث البحرية (NRL) جيدة؛ فقد انتقد بوين اللجنة التنفيذية لتحويلها أموالًا من مختبر الأبحاث البحرية. ^{[ 33 ]} كان بوش على دراية بتوجيه الرئيس فرانكلين د. روزفلت الصادر في 17 مارس 1942 ، ^{[ 32 ]} وإن كان بناءً على نصيحته، ^{[ 33 ]} باستبعاد البحرية من مشروع مانهاتن. ^{[ 32 ]} فضل بوش العمل مع وزير الحرب هنري ستيمسون ، الذي كان أكثر توافقًا معه، والذي كان يتمتع بنفوذ أكبر عليه. ^{[ 33 ]}

أبدى جيمس ب. كونانت ، رئيس لجنة تطوير الدفاع الوطني واللجنة التنفيذية لـ S-1، قلقه من إدارة البحرية لمشروعها النووي الخاص، لكن بوش رأى أن ذلك لا يضر. والتقى بجان في أناكوستيا في 14 يناير 1943، وشرح له الوضع. فأجاب جان بأن البحرية مهتمة بالدفع النووي البحري للغواصات النووية . وكان الانتشار الحراري السائل وسيلة فعالة لإنتاج اليورانيوم المخصب، وكل ما يحتاجه هو تفاصيل حول تصميم المفاعل النووي ، الذي كان يعلم أن مختبر المعادن في شيكاغو يعمل على تطويره. ولم يكن يعلم أن المختبر قد بنى بالفعل مفاعل شيكاغو بايل-1 ، وهو مفاعل نووي عامل. لم يكن بوش مستعدًا لتقديم البيانات المطلوبة، لكنه رتب مع الأدميرال ويليام ر. بورنيل ، وهو زميل له في لجنة السياسة العسكرية التي أدارت مشروع مانهاتن، لجهود أبيلسون للحصول على دعم إضافي. ^{[ 32 ]}

في الأسبوع التالي، زار بريغز، ويوري، وإيغر ف. مورفري من اللجنة التنفيذية لمشروع S-1، برفقة كارل كوهين وويليام طومسون من شركة ستاندرد أويل ، المحطة التجريبية في أناكوستيا. وقد أعجبوا ببساطة العملية، لكنهم شعروا بخيبة أمل لعدم سحب أي منتج من اليورانيوم المخصب من المحطة؛ إذ تم حساب الإنتاج بقياس الفرق في التركيز. وقدّروا أن محطة الانتشار الحراري السائل القادرة على إنتاج  كيلوغرام واحد يوميًا من اليورانيوم المخصب بنسبة 90% من اليورانيوم-235 ستتطلب 21800 عمودًا بطول 11 مترًا (36 قدمًا) ، لكل منها عامل فصل يبلغ 30.7%. وسيستغرق بناؤها 18 شهرًا، بافتراض استخدام أولوية مشروع مانهاتن في الحصول على المواد. وشمل ذلك 1700 طن قصير (1500 طن متري) من النحاس النادر للأنابيب الخارجية والنيكل للأنابيب الداخلية، وهو ما كان مطلوبًا لمقاومة التآكل الناتج عن البخار وسداسي فلوريد اليورانيوم على التوالي. ^{[ 34 ] [ 35 ]}  

قُدّرت تكلفة  بناء هذا المصنع بحوالي 32.6 مليون دولار، وتكلفة تشغيله بـ 62,600 دولار يوميًا. إلا أن ما حال دون تنفيذ المشروع هو أن المصنع سيحتاج إلى 600 يوم للوصول إلى حالة التوازن، ما  يعني إنفاق 72 مليون دولار بحلول ذلك الوقت، وهو المبلغ الذي قرّبته اللجنة التنفيذية S-1 إلى 75  مليون دولار. وبافتراض بدء العمل فورًا، وعمل المصنع وفقًا للتصميم، فلن يكون بالإمكان إنتاج أي يورانيوم مُخصّب قبل عام 1946. اقترح مورفري أن يكون مصنع الانتشار الحراري السائل، الذي يُنتج يورانيومًا مُخصّبًا بنسبة 10% من اليورانيوم-235، بديلًا عن المراحل الأولى في مصنع الانتشار الغازي ، لكن اللجنة التنفيذية S-1 رفضت هذا الاقتراح. ^{[ 34 ] [ 35 ]} بين فبراير ويوليو 1943، أنتج مصنع أناكوستيا التجريبي 107 كيلوغرامات من سادس فلوريد اليورانيوم المُخصّب قليلًا، والذي شُحن إلى المختبر المعدني. ^{[ 36 ]} في سبتمبر 1943، قررت اللجنة التنفيذية لقسم الاستخبارات البحرية (S-1) عدم تخصيص المزيد من سادس فلوريد اليورانيوم لمختبر الأبحاث البحرية (NRL)، مع أنها ستستبدل سادس فلوريد اليورانيوم المخصب بسادس فلوريد اليورانيوم العادي. رفض غروفز طلبًا من مختبر الأبحاث البحرية (NRL) للحصول على كميات إضافية من سادس فلوريد اليورانيوم في أكتوبر 1943. وعندما لُفت انتباهه إلى أن البحرية هي من طورت عملية إنتاج سادس فلوريد اليورانيوم في المقام الأول، وافق الجيش على مضض على تلبية الطلب. ^{[ 35 ]} 

أشارت دراسات أبيلسون إلى أنه لتقليل زمن التوازن، كان بحاجة إلى تدرج حراري أكبر بكثير. ^{[ 24 ]} نظر مختبر الأبحاث البحرية (NRL) في بناء المحطة في محطة التجارب الهندسية البحرية في أنابوليس، ميريلاند ، ولكن قُدّرت تكلفة ذلك بـ 2.5  مليون دولار، وهو مبلغ اعتبره المختبر باهظًا. وبعد البحث عن مواقع أخرى، تقرر بناء محطة تجريبية جديدة في مختبر الغلايات والتوربينات البحرية (NBTL) في حوض بناء السفن التابع للبحرية في فيلادلفيا ، ^{[ 37 ]} حيث توفرت المساحة والبخار ومياه التبريد، والأهم من ذلك كله، مهندسون ذوو خبرة في التعامل مع البخار عالي الضغط. ^{[ 38 ]} قُدّرت التكلفة بـ 500,000 دولار. ^{[ 37 ]} أُجيزت المحطة التجريبية من قِبل الأدميرال إيرل دبليو ميلز ، مساعد رئيس مكتب السفن، في 17 نوفمبر 1943. ^{[ 38 ]} بدأ البناء في 1 يناير 1944، واكتمل في يوليو. ^{[ 39 ]} كان مختبر اختبار السفن الوطني (NBTL) مسؤولاً عن تصميم وبناء وتشغيل أنظمة البخار ومياه التبريد، بينما تولى مختبر أبحاث البحرية (NRL) مسؤولية الأعمدة والمعدات الفرعية. وكان الكابتن ثورفالد أ. سولبرغ من مكتب السفن مسؤول المشروع. ^{[ 38 ]}

شغل المصنع التجريبي في فيلادلفيا مساحة 1200 متر مربع (13000 قدم ^مربع ) في موقع يقع على بُعد مبنى واحد غرب شارع برود ، بالقرب من نهر ديلاوير . تألف المصنع من 102 عمودًا، طول كل منها 15 مترًا (48 قدمًا) ، تُعرف باسم "الرف"، مُرتبة في سلسلة من سبع مراحل. كان الهدف من المصنع إنتاج غرام واحد يوميًا من اليورانيوم المُخصب بنسبة 6% من نظير اليورانيوم-235. تم تبريد الأنابيب النحاسية الخارجية بواسطة ماء بدرجة حرارة 68 درجة مئوية (155 درجة فهرنهايت) يتدفق بينها وبين الأنابيب الفولاذية الخارجية بقطر 10 بوصات (4 بوصات). أما الأنابيب النيكل الداخلية، فتم تسخينها بواسطة بخار عالي الضغط عند درجة حرارة 285 درجة مئوية (545 درجة فهرنهايت) وضغط 6900 كيلو باسكال (1000 رطل لكل بوصة مربعة ) . وبالتالي، احتوى كل عمود على حوالي 1.6 كيلوغرام (3.5 رطل) من سداسي فلوريد اليورانيوم. وقد تم ذلك بفعل ضغط البخار. كانت مضخات المياه هي الأجزاء العاملة الوحيدة. استهلكت وحدة المعالجة 11.6 ميغاواط من الطاقة أثناء التشغيل. كان كل عمود متصلاً بخزان يحتوي على ما بين 3 و170 كيلوغرامًا (6.6 إلى 374.8 رطلًا) من سادس فلوريد اليورانيوم. نظرًا للمخاطر المصاحبة للتعامل مع سادس فلوريد اليورانيوم، فقد أُنجزت جميع الأعمال المتعلقة به، مثل إعادة ملء الخزانات من أسطوانات الشحن، في غرفة نقل. ^{[ 40 ]} شُغّلت الأعمدة في محطة فيلادلفيا بالتوازي بدلًا من التوالي، ولذلك أنتجت محطة فيلادلفيا التجريبية في نهاية المطاف أكثر من 2300 كيلوغرام (5000 رطل) من سادس فلوريد اليورانيوم المخصب بنسبة 0.86% من اليورانيوم-235، والذي سُلّم إلى مشروع مانهاتن. ^{[ 41 ]} تم التخلص من محطة فيلادلفيا التجريبية في سبتمبر 1946، حيث أُعيدت المعدات القابلة للاستخدام إلى مختبر الأبحاث البحرية، بينما أُلقيت بقية المعدات في البحر. ^{[ 42 ]}          

في أوائل عام 1944، وصلت أنباء محطة فيلادلفيا التجريبية إلى روبرت أوبنهايمر ، مدير مختبر لوس ألاموس . ^{[ 43 ]} كتب أوبنهايمر إلى كونانت في 4 مارس 1944، وطلب منه التقارير المتعلقة بمشروع الانتشار الحراري السائل، فأرسلها كونانت. ^{[ 44 ]} ومثل معظم الناس، كان أوبنهايمر يفكر في تخصيب اليورانيوم من منظور عملية إنتاج يورانيوم عالي التخصيب مناسب للاستخدام في القنبلة الذرية ، ^{[ 45 ]} لكنه الآن فكّر في خيار آخر. فإذا تم تشغيل أعمدة التخصيب في محطة فيلادلفيا بالتوازي بدلاً من التوالي، فقد تُنتج 12  كيلوغرامًا يوميًا من اليورانيوم المخصب بنسبة 1%. ^{[ 43 ]} قد يكون هذا الأمر ذا قيمة، إذ أن عملية التخصيب الكهرومغناطيسي التي يمكنها إنتاج غرام واحد من اليورانيوم المخصب بنسبة 40% من اليورانيوم-235 من اليورانيوم الطبيعي، يمكنها إنتاج غرامين يوميًا من اليورانيوم المخصب بنسبة 80% من اليورانيوم-235 إذا تم تخصيب المادة الأولية بنسبة 1.4% من اليورانيوم-235، أي ضعف نسبة 0.7% لليورانيوم الطبيعي. ^{[ 46 ]} في 28 أبريل، كتب إلى غروفز، مشيرًا إلى أنه "يمكن زيادة إنتاج مصنع Y-12 بنحو 30 أو 40%، وتحسين كفاءته إلى حد ما، قبل عدة أشهر من الموعد المقرر لإنتاج K-25 ". ^{[ 47 ]}

حصل غروفز على إذن من لجنة السياسة العسكرية لاستئناف الاتصال بالبحرية، ^{[ 35 ]} وفي 31 مايو 1944، عيّن لجنة مراجعة مؤلفة من مورفري ولويس ومستشاره العلمي، ريتشارد تولمان ، للتحقيق في الأمر. ^{[ 47 ]} زارت لجنة المراجعة محطة فيلادلفيا التجريبية في اليوم التالي. وأفادت بأن أوبنهايمر كان محقًا من حيث المبدأ، إلا أن تقديراته كانت متفائلة. فإضافة رفّين إضافيين إلى المحطة التجريبية سيستغرق شهرين، ولكنه لن ينتج كمية كافية من المواد الخام لتلبية متطلبات محطة Y-12 الكهرومغناطيسية في مصانع كلينتون الهندسية . ولذلك، أوصت اللجنة ببناء محطة كاملة الحجم للتخصيب الحراري السائل. ^{[ 35 ]} وبناءً على ذلك، طلب غروفز من مورفري في 12 يونيو تقدير تكلفة محطة إنتاج قادرة على إنتاج 50  كيلوغرامًا من اليورانيوم المخصب بنسبة تتراوح بين 0.9 و3.0 بالمئة من اليورانيوم-235 يوميًا. قدّر مورفري وتولمان وكوهين وتومسون أن تكلفة مصنع يضم 1600 عمود تبلغ 3.5  مليون دولار. وافق غروفز على بنائه في 24 يونيو 1944، ^{[ 48 ]} وأبلغ لجنة السياسة العسكرية أنه سيكون جاهزًا للتشغيل بحلول 1 يناير 1945. ^{[ 35 ]}

تمّ النظر في مواقع في سد واتس بار ، وموسل شولز ، وديترويت ، ولكن تقرر بناء المحطة في أعمال كلينتون الهندسية، حيث يمكن الحصول على المياه من نهر كلينش والبخار من محطة توليد الطاقة K-25. ^{[ 49 ]} أُطلق على مشروع الانتشار الحراري الاسم الرمزي S-50. ^{[ 15 ]} أُنشئ قسم S-50 في مقر منطقة مانهاتن في يونيو/حزيران تحت قيادة المقدم مارك سي. فوكس، وكان الرائد توماس جيه. إيفانز الابن مساعده، مع منحه صلاحية خاصة لبناء المحطة. اختار غروفز شركة إتش كيه فيرغسون من كليفلاند ، أوهايو، كمقاول رئيسي للبناء نظرًا لسجلها الحافل بإنجاز المشاريع في الوقت المحدد، ^{[ 50 ]} ولا سيما مصنع جلف أوردنانس في ميسيسيبي، ^{[ 51 ]} بموجب عقد تكلفة بالإضافة إلى رسوم ثابتة . ستتولى شركة إتش إيه جونز للإنشاءات بناء محطة البخار، مع شركة إتش كيه فيرغسون كمهندس معماري. ^{[ 49 ]} على الرغم من أن مستشاريه قدّروا أن بناء المصنع سيستغرق ستة أشهر، إلا أن غروفز منح شركة إتش كيه فيرغسون أربعة أشهر فقط، ^{[ 50 ]} وكان يريد أن تبدأ العمليات في غضون 75 يومًا فقط. ^{[ 52 ]}

قام كل من غروفز، وتولمان، وفوكس، وويلز ن. طومسون من شركة إتش كيه فيرغسون، بجمع مخططات المصنع التجريبي في فيلادلفيا من هناك في 26 يونيو. ^{[ 51 ]} سيتألف مصنع الإنتاج من 21 رفًا، كل رف يحتوي على 102 عمود، مرتبة في ثلاث مجموعات من سبعة أعمدة، بإجمالي 2142 عمودًا بطول 48 قدمًا (15 مترًا) . كان كل رف نسخة طبق الأصل من المصنع التجريبي في فيلادلفيا. ^{[ 53 ]} كان لا بد من تصنيع الأعمدة بدقة متناهية؛ ± 0.0003 بوصة (0.0076 ملم) لقطر أنابيب النيكل الداخلية، و± 0.002 بوصة (0.051 ملم) بين أنابيب النيكل الداخلية وأنابيب النحاس الخارجية. ^{[ 51 ]} تم تقديم الطلبات الأولى للأعمدة في 5 يوليو. ^{[ 52 ]} تم التواصل مع ثلاث وعشرين شركة، وقبلت شركة غرينيل من بروفيدنس، رود آيلاند ، وشركة ميرينغ وهانسون من واشنطن العاصمة، التحدي. ^{[ 53 ]}   

بدأ العمل في الموقع في 9 يوليو 1944. وبحلول 16 سبتمبر، ومع اكتمال حوالي ثلث المحطة، بدأ تشغيل أول وحدة تسخين. ^{[ 52 ]} كشفت الاختبارات التي أُجريت في سبتمبر وأكتوبر عن مشاكل في تسرب الأنابيب استدعت مزيدًا من اللحام. ومع ذلك، تم تركيب جميع وحدات التسخين وأصبحت جاهزة للتشغيل في يناير 1945. تم إنهاء عقد البناء في 15 فبراير، وتم إسناد أعمال العزل والكهرباء المتبقية إلى شركات أخرى في منطقة أوك ريدج. كما أكملت هذه الشركات المباني الملحقة، بما في ذلك محطة البخار الجديدة. أصبحت المحطة تعمل بكامل طاقتها في مارس 1945. ^{[ 54 ]} تمت الموافقة على بناء محطة الغلايات الجديدة في 16 فبراير 1945. بدأ تشغيل أول غلاية في 5 يوليو 1945، وبدأت العمليات في 13 يوليو. اكتمل العمل في 15 أغسطس 1945. ^{[ 52 ]}

كان مبنى عملية الانتشار الحراري (F01) هيكلاً أسود اللون، يبلغ طوله 159 مترًا (522 قدمًا) ، وعرضه 25 مترًا (82 قدمًا) ، وارتفاعه 23 مترًا (75 قدمًا) . يحتوي كل زوج من الرفوف على غرفة تحكم وغرفة نقل، باستثناء الرف الأخير الذي كان مزودًا بغرفتي تحكم ونقل خاصتين به لأغراض التدريب. ^{[ 54 ]} كانت أربع مضخات تسحب 57000 لتر (15000 جالون أمريكي) من مياه التبريد في الدقيقة من نهر كلينش. وقد صممت شركة باسيفيك بامبس مضخات البخار خصيصًا لهذا الغرض. صُمم المصنع في الأصل لاستخدام كامل إنتاج محطة توليد الطاقة K-25، ولكن مع بدء تشغيل مراحل K-25، ظهرت منافسة على هذا الإنتاج. لذا، تقرر بناء محطة غلايات جديدة. تم الحصول من البحرية على اثنتي عشرة غلاية فائضة من البحرية، سعتها 3100 كيلو باسكال (450 رطلًا لكل بوصة مربعة )، كانت مخصصة في الأصل لسفن مرافقة المدمرات . تم تعويض انخفاض درجة حرارة الجدار الساخن نتيجة انخفاض ضغط البخار ( 450 رطلًا لكل بوصة مربعة (3100 كيلو باسكال) بدلًا من 1000 رطل لكل بوصة مربعة (6900 كيلو باسكال) في المحطة التجريبية) بسهولة التشغيل. ولأنها تعمل بالزيت، فقد أُضيف مجمع خزانات نفط بسعة 6 ملايين جالون أمريكي (23 مليون لتر) ، بسعة تخزين كافية لتشغيل المحطة لمدة 60 يومًا. ^{[ 53 ]} بالإضافة إلى مبنى عملية الانتشار الحراري (F01) ومبنى محطة البخار الجديدة (F06)، شملت المنشآت في منطقة S-50 محطة الضخ (F02)، والمختبرات، وكافيتريا، وورشة ميكانيكية (F10)، ومستودعات، ومحطة وقود، ومحطة معالجة مياه (F03). ^{[ 53 ] [ 55 ]}        

لأسباب أمنية، أراد غروفز أن تتولى شركة إتش كيه فيرغسون تشغيل المصنع الجديد، إلا أنه كان مصنعًا مغلقًا ، ولم تسمح لوائح الأمن في شركة كلينتون للهندسة بوجود نقابات عمالية . وللتحايل على ذلك، أنشأت إتش كيه فيرغسون شركة تابعة مملوكة لها بالكامل ، وهي شركة فيركليف (نسبةً إلى فيرغسون أوف كليفلاند)، وتعاقدت معها منطقة مانهاتن لتشغيل المصنع مقابل 11,000 دولار شهريًا. ^{[ 45 ] [ 56 ]} تلقى العاملون في تشغيل المصنع الجديد تدريبًا أوليًا في المصنع التجريبي في فيلادلفيا. في أغسطس 1944، طلب غروفز وكونانت وفوكس متطوعين من عشرة جنود مجندين من فرقة المهندسين الخاصة (SED) في أوك ريدج، محذرين من خطورة العمل. تطوع العشرة جميعًا. ^{[ 57 ]} أُرسلوا، برفقة أربعة موظفين من فيركليف، إلى فيلادلفيا للتعرف على كيفية تشغيل المصنع. ^{[ 54 ]}

في الثاني من سبتمبر عام ١٩٤٤، كان الجندي أرنولد كراميش ، من وحدة SED، واثنان من المدنيين، بيتر ن. براغ الابن، مهندس كيميائي في مختبر الأبحاث البحرية، ودوغلاس ب. ميغز، موظف في شركة فيركليف، يعملون في غرفة نقل المواد عندما انفجرت أسطوانة من سادس فلوريد اليورانيوم تزن ٢٧٠ كيلوغرامًا ، مما أدى إلى تمزق أنابيب البخار المجاورة. ^{[ ٥٧ ] [ ٥٨ ]} تفاعل البخار مع سادس فلوريد اليورانيوم مُنتجًا حمض الهيدروفلوريك ، وأُصيب الرجال الثلاثة بحروق بالغة. ركض الجندي جون د. هوفمان عبر السحابة السامة لإنقاذهم، لكن براغ وميغز توفيا متأثرين بجراحهما. أُصيب أحد عشر رجلاً آخر، من بينهم كراميش وأربعة جنود آخرين، لكنهم تعافوا. حصل هوفمان، الذي أصيب بحروق، على وسام الجندي ، وهو أعلى وسام يمنحه الجيش الأمريكي لأعمال البطولة في غير المواقف القتالية، والوسام الوحيد الذي مُنح لأحد أفراد منطقة مانهاتن. ^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]} وحصل براغ بعد وفاته على جائزة الخدمة المدنية المتميزة من البحرية في 21 يونيو 1993. ^{[ 60 ]} 

قام العقيد ستافورد إل. وارين ، رئيس القسم الطبي في منطقة مانهاتن، بإزالة الأعضاء الداخلية للضحايا وإرسالها إلى أوك ريدج لتحليلها. ودُفنت الجثث بدونها. ^{[ 57 ]} وكشف تحقيق أن الحادث نجم عن استخدام أسطوانات فولاذية مبطنة بالنيكل بدلاً من أسطوانات النيكل غير الملحومة، وذلك لأن الجيش كان قد أوقف إنتاج النيكل. ^{[ 59 ]} لم يكن لدى مستشفى البحرية إجراءات لعلاج الأشخاص الذين تعرضوا لسداسي فلوريد اليورانيوم، فقام القسم الطبي بقيادة وارين بتطويرها. وأمر غروفز بوقف التدريب في محطة فيلادلفيا التجريبية، فانتقل أبيلسون و15 من موظفيه إلى أوك ريدج لتدريب الأفراد هناك. ^{[ 61 ]}

لم تقع حوادث مميتة في مصنع الإنتاج، ^{[ 57 ]} على الرغم من أن معدل الحوادث فيه كان أعلى من غيره من منشآت الإنتاج التابعة لمشروع مانهاتن، وذلك بسبب التسرع في تشغيله. عندما حاولت الفرق تشغيل أول وحدة، سُمع صوت عالٍ وتصاعدت سحابة من البخار المتسرب. كان من المفترض أن يؤدي هذا إلى إيقاف التشغيل، ولكن تحت ضغط تشغيل المصنع، لم يكن أمام مدير مصنع فيركليف خيار سوى الاستمرار. ^{[ 61 ]} أنتج المصنع 4.8 كيلوغرام فقط من اليورانيوم-235 بنسبة نقاء 0.852% في أكتوبر. حدّت التسريبات من الإنتاج وأجبرت على إيقاف التشغيل خلال الأشهر القليلة التالية، ولكن في يونيو 1945، أنتج المصنع 5770 كيلوغرامًا . [ ^{61 ] في} التشغيل العادي، كان يُسحب 0.45 كيلوغرام من المنتج من كل دائرة كل 285 دقيقة. بوجود أربع دوائر لكل رف، كان بإمكان كل رف إنتاج 9.1 كيلوغرام (20 رطلاً) يومياً. ^{[ 62 ]} وبحلول مارس 1945، كانت جميع رفوف الإنتاج البالغ عددها 21 رفاً تعمل بكامل طاقتها. في البداية، كان يُغذى ناتج S-50 إلى Y-12، ولكن بدءاً من مارس 1945، تم تشغيل عمليات التخصيب الثلاث بالتتابع. أصبح S-50 المرحلة الأولى، حيث تم تخصيبه من 0.71% إلى 0.89%. ثم تم تغذية هذه المادة إلى عملية الانتشار الغازي في مصنع K-25، والتي أنتجت منتجاً مخصباً بنسبة 23% تقريباً. ثم تم تغذية هذا المنتج بدوره إلى Y-12، الذي رفع نسبة التخصيب إلى 89% تقريباً، وهي نسبة كافية لصنع الأسلحة النووية. ^{[ 63 ]} بلغ إجمالي إنتاج S-50 25,630 كيلوغراماً (56,504 أرطال ) . ^{[ 62 ]} تشير التقديرات إلى أن محطة S-50 قد سرّعت إنتاج اليورانيوم المخصب المستخدم في قنبلة "ليتل بوي " التي استُخدمت في القصف الذري لهيروشيما بمقدار أسبوع. ^{[ 64 ]} كتب غروفز لاحقًا: "لو كنتُ قد أدركتُ إمكانيات الانتشار الحراري، لكنا مضينا قدمًا في ذلك في وقتٍ أبكر بكثير، وأخذنا وقتًا أطول في تصميم المحطة، وجعلناها أكبر وأفضل بكثير. لكان تأثيرها على إنتاجنا من اليورانيوم-235 في يونيو ويوليو 1945 ملحوظًا." ^{[ 45 ]}     

بعد انتهاء الحرب بفترة وجيزة في أغسطس 1945، أوصى المقدم آرثر ف. بيترسون ، ^{[ 64 ]} ضابط منطقة مانهاتن المسؤول عن إنتاج المواد الانشطارية ، ^{[ 65 ]} بوضع مصنع S-50 في حالة تأهب. وأمرت منطقة مانهاتن بإغلاق المصنع في 4 سبتمبر 1945. ^{[ 64 ]} كان هذا المصنع الوحيد الذي بُني على نطاق إنتاجي باستخدام تقنية الانتشار الحراري السائل، إلا أن كفاءته لم تكن تُضاهي كفاءة مصنع الانتشار الغازي. ^{[ 66 ]} تم تفريغ الأعمدة وتنظيفها، وأُبلغ جميع الموظفين قبل أسبوعين من إنهاء خدماتهم الوشيك . ^{[ 42 ]} توقف الإنتاج تمامًا بحلول 9 سبتمبر، وشُحنت آخر دفعة من سادس فلوريد اليورانيوم إلى K-25 للمعالجة. ^{[ 64 ]} بدأت عمليات التسريح في 18 سبتمبر. بحلول ذلك الوقت، أدت الاستقالات الطوعية إلى انخفاض عدد موظفي شركة فيركليف من ذروته في زمن الحرب، حيث بلغ 1600 عامل، إلى حوالي 900 عامل. ولم يتبق سوى 241 عاملاً في نهاية سبتمبر. تم إنهاء عقد فيركليف في 31 أكتوبر، ونُقلت مسؤولية مباني مصنع S-50 إلى مكتب K-25. سرحت فيركليف آخر موظفيها في 16 فبراير 1946. ^{[ 42 ]}

ابتداءً من مايو 1946، استُخدمت مباني مصنع S-50، ليس كمنشأة إنتاج، بل من قِبل مشروع الطاقة النووية لدفع الطائرات (NEPA) التابع للقوات الجوية للجيش الأمريكي . أجرت شركة فيرتشايلد للطائرات سلسلة من التجارب هناك باستخدام البريليوم . ^{[ 67 ]} كما قام العمال بتصنيع كتل من اليورانيوم المخصب والجرافيت . ^{[ 66 ]} استمر مشروع NEPA في العمل حتى مايو 1951، عندما حل محله مشروع الدفع النووي للطائرات المشترك بين لجنة الطاقة الذرية والقوات الجوية الأمريكية . ^{[ 68 ]} تم تفكيك مصنع S-50 في أواخر الأربعينيات. نُقلت المعدات إلى منطقة محطة توليد الطاقة K-25، حيث تم تخزينها قبل استخراجها أو دفنها. ^{[ 66 ]}

• "البحرية والانتشار الحراري" . وزارة الطاقة الأمريكية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 ديسمبر 2016 .
• "المتحف الافتراضي K-25 - جولة في الموقع" . وزارة الطاقة الأمريكية. مؤرشف من الأصل بتاريخ 18 أغسطس 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 ديسمبر 2016 .

35°54′58″ شمالاً 84°24′43″ غرباً / 35.91611° شمالاً 84.41194° غرباً / 35.91611; -84.41194