náhled|Ed Westcott: ikonická fotografie operátorek, který zajišťovaly provoz jedné části komplexu Y-12. náhled|Ed Westcott: střídání směn v Y-12. Komplex Y-12 nebo jen Y-12 bylo krycí označení jednoho ze tří komplexů pro obohacování uranu, který byl postaven v rámci projektu Manhattan v tajném atomovém městě Oak Ridge. Každý komplex používal jinou technologii obohacování, v případě Y-12 to byla metoda elektromagnetické separace. Komplex byl označován též jako kalutron (angl. calutron), ve skutečnosti obsahoval celkem 1152 kalutronů (speciální druh hmotnostních spektrometrů).
Zatímco hlavní technologická budova komplexu K-25 ve tvaru „U“ o délce přibližně jedné míle se stala největší budovou světa, komplex Y-12 zase vyžadoval nejvíce zaměstnanců. Na tři směny v nepřetržitém provozu jich zde nakonec pracovalo až 22 428, převážně žen.
Vše za přísného utajení, což připomíná též velký billboard s nápisem na fotografii střídání směn v komplexu (… continue to protect project information/chraňte informace o projektu). Většina vůbec nevěděla, na čem pracují. Gladys Owensová, operátorka v popředí prvního snímku, to zjistila až po 50 letech, když navštívila putovní výstavu o projektu Manhattan, kde byly též fotografie Ed Westcotta.
Problém obohacování uranu Během projektu Manhattan vědci identifikovali dva izotopy, vhodné jako štěpný materiál pro atomovou bombu: uran-235 a plutonium-239. V Los Alamos proto souběžně pracovali na dvou velmi odlišných typech bomby: uranový typ (který byl svržen na Hirošimu) a plutoniový (svržen na Nagasaki).
Plutonium se v přírodě prakticky nevyskytuje, patří mezi tzv. transurany, poprvé v naprosto nepatrném miligramovém množství byl připraven v roce 1940, jako čistý kov (rovněž v nepatrném množství) až v roce 1941. Veškeré plutonium bylo proto nutné uměle vyrábět ve třech reaktorech a navazujících komplexech v Hanfordu.
Uran-235 se naopak vyskytuje v uranové rudě, ale podíl všech izotopů uranu dohromady v dostupných minerálech (např.uraninit) je velice nízký (často jen 0,1 % i méně) a prvním krokem je tedy separace uranu z uranové rudy. Ale i po složitém získání meziproduktu (obsahuje zpravidla 70 až 90 % uranu) platí, že neobohacený uran má vždy jen velmi malý podíl uranu-235 (přibližně 0,72 %), naprostou většinu tvoří uran-238 (přes 99,27 %) a nepatrný zbytek tvoří další izotop uran-234. Bylo tak nutné zpracovat mnoho tisíc tun uranové rudy.
Navíc, tzv. obohacování uranu je velice obtížný a zdlouhavý proces. Pro výrobu elektřiny v současných jaderných elektrárnách se uran obvykle obohacuje jen na 3 až 5 % (existují i reaktory používající neobohacený uran, nejznámější jsou kanadské CANDU). Ale pro uranový typ bomby bylo nutné získat vysoce obohacený uran (kolem 90 % uranu-235).
Návaznost komplexů Různé technologie obohacování uranu byly pro jednotlivé komplexy v Oak Ridge použity hlavně proto, že nebylo jisté, jak postupy budou fungovat v průmyslovém měřítku. Separace je tak obtížná proto, že fyzikální i chemické vlastnosti izotopů uranu jsou velmi podobné, v projektu Manhattan se navíc vlastnosti izotopů teprve upřesňovaly, což navržení vhodných metod separace dále ztěžovalo. Dalším důvodem byla snaha maximálně urychlit vývoj a výrobu bomby. Určitou roli však sehrála též rivalita mezi týmy a rovněž mezi různými složkami ozbrojených sil USA.
Komplex Y-12 používal metodu elektromagnetické separace, toto zařízení je označováno též jako kalutron (ang. calutron), kterých v komplexu bylo celkem 1152 (speciální druh hmotnostních spektrometrů). Byl uveden do provozu jako první. Komplex S-50 používal metodu tepelné difuze kapalin a byl výrazně menší než zbylé dva komplexy. Původně se s ním nepočítalo, byl vystavěn jako „rychlá výpomoc“ nejprve pro Y-12, po dokončení K-25 výstup z S-50 sloužil jako vstup do K-25 (viz návaznost komplexů popsaná níže). Komplex K-25 používal metodu plynové difuze a byl dokončen poslední (do provozu byl uváděn postupně po částech, nakonec celkem 2892 stupňů). Koncem roku 1945 byl dokončen ještě menší sousední komplex K-27.
Různé technologie se lišily účinností, výhodami a nevýhodami, během výstavby i provozu se v nich řešily různé problémy. Pro všechny však platilo, že proces obohacování uranu je nesmírný náročný nejen energeticky, ale také na lidské a jiné zdroje. Rovněž je velice zdlouhavý, protože v každém kroku dojde jen k nepatrnému zvýšení koncentrace uranu-235, takže je nutné proces opakovat v řádu tisíců. Např. v případě K-25 byl tzv. obohacovací faktor 1,0043. To je ale teoretické maximum, reálná účinnost byla o dost nižší.
S myšlenkou využít částečně obohacený uran z jednoho komplexu jako vstup do dalšího komplexu přišel již v roce 1943 Leslie Groves. Ale až v průběhu roku 1945 (po dokončení Y-12, S-50 a postupně zprovozňované části K-25) byl možný následující postup. Komplex S-50 začal zpracovávat neobohacený uran a zvýšil podíl izotopu uranu-235 jen na 1,2 % (zčásti to bylo technologií, ale především rozhodnutím o rychlé výstavbě menšího komplexu a zvolenou konfiguraci). Na své rozměry však byl schopen zpracovat velké objemy. Následně obohacení v K-25 se používalo od 1,2 % do 23 % (zpočátku méně) a proces obohacení byl dokončen v Y-12 (od 23 % až po 89 %). Později se zkoušelo obohacení až na 95 %, ale narazilo se na různé problémy.
Byly zvažovány a navrhovány ještě další technologie. Nejdříve (rok 1942) se centrifugy (plynné odstředivky) zdály nejvhodnější. Pokusy a propočty však ukázaly, že s tehdejšími technologie by byly málo účinné. V současnosti jsou odstředivky naopak naprosto převažující způsob obohacování uranu, protože vylepšením jak materiálů (např. uhlíková vlákna), tak technologií, jejich účinnost překonala ostatní metody.
Kromě tří komplexů na obohacování uranu byl v lokalitě Oak Ridge postaven ještě také reaktor X-10. Stále ještě šlo o experimentální reaktor, ale již byl navržen pro nepřetržitý provoz a sloužil především k tomu, aby personál projektu Manhattan získal potřebné zkušenosti pro produkci plutonia. Původně zde měly být postaveny i tři, již ryze produkční reaktory (prvním byl reaktor B), ale pro ně byla nakonec vybrána zcela nová lokalita Hanford.
Elektromagnetická separace Metoda elektromagnetické separace využívala zařízení nazývané calutron (počeštěný pravopis kalutron), což je speciální druh hmotnostního spektrometru. Zařízení vyvinul tým na Kalifornské univerzitě, který vedl Ernest Lawrence a vycházel z jeho dřívějšího vynálezu, cyklotronu (první druh urychlovače částic). Navazoval též na dřívější průkopnickou práci australského vědce Marka Oliphanta, který již v roce 1934 publikoval článek o elektromagnetické separaci izotopů lithia. Mark Oliphant v roce 1940 na Univerzitě v Birminghamu také inicioval vznik tzv. Frischova–Peierlsova memoranda, které zásadně změnilo názory na uskutečnitelnost konstrukce atomové bomby.
Název „calutron“ byl odvozen od „California University Cyclotron“, na počest instituce, kde byl vynalezen. Calutron je typ sektorového hmotnostního spektrometru, přístroje, ve kterém je vzorek ionizován a poté urychlen elektrickými poli a odkloněn magnetickými poli. Ionty vytvářejí měřitelný elektrický proud. Vzhledem k tomu, že ionty různých izotopů mají stejný elektrický náboj, ale různou hmotnost, těžší izotopy jsou magnetickým polem odkloněny méně, což způsobuje, že se paprsek částic rozdělí podle hmotnosti na několik paprsků, které dopadají na desku na různých místech. Hmotnost iontů lze vypočítat podle síly pole a náboje iontů.
První pokusný calutron vzniklý přestavbou původního cyklotronu byl poprvé spuštěn 2. prosince 1941 (tedy pár dní před japonským útokem na Pearl Harbor a ještě před vznikem projektu Manhattan). Přestože principiální funkčnost metody byla prokázána již takto brzy, experimentální zařízení mělo nízkou účinnost a další problémy. Lawrence proto sestavil tým mnoha předních vědců na jeho zdokonalování (David Bohm, Edward Condon, Donald Cooksey, A. Theodore Forrester, Irving Langmuir, Kenneth Ross MacKenzie, Frank Oppenheimer, Robert Oppenheimer, William E. Parkins, Bernard Peters, Joseph Slepian).
Obdobné výzkumy a pokusy probíhaly také na dalších univerzitách: na Princetonské univerzitě vyvíjely tzv. isotron, který pro separaci místo magnetického pole používal vysoké napětí. Výzkum byl ukončen v únoru 1943, protože calutron měl lepší výsledky. Na Cornellově univerzita jiný tým vyvíjel radiální magnetický separátor. Tento tým se již v roce 1942 spojil s týmem E. Lawrence. V roce 1943 se k nim připojil ještě tým britských a australských vědců v čele s výše zmíněným Markem Oliphantem.
V průběhu roku 1943 se důraz postupně přesunul z výzkumu na vývoj a engineering zařízení, které by již bylo vhodné pro nasazení v průmyslovém měřítku. Po zahájení výstavby komplexu Y-12 v Oak Ridge, na univerzitě po určitou dobu (od dubna do září 1943) probíhalo také školení a trénink operátorů pro budovaný komplex (poté se konalo již přímo v Oak Ridge). Pokračující stavba Y-12 ale neznamenala útlum aktivit na univerzitě, právě naopak. V polovině roku 1944 pracovalo v Radiační laboratoři univerzity téměř 1200 lidí.
Metoda elektromagnetické separace byla v případě obohacování uranu v poválečném období opuštěna ve prospěch složitější, ale energeticky méně náročné metody plynné difuze (komplexy K-25 a K-27, později ještě další). Samotná metoda plynné difuze byla později rovněž nahrazena vylepšenými centrifugami, které jsou úspornější a efektivnější. První tzv. ultracentrifugy byly v případě USA postaveny v 60. letech, vylepšené verze pak v letech 1975 (testovací) a 1982 (větší komplex K-1220).
Většina zařízení v komplexu Y-12 byla následně demontována, ale část zůstala v provozu. Metoda elektromagnetické separace má totiž dvě výhody: (a) na rozdíl od metody plynné difuze je schopna produkovat velice čisté izotopy i při vysokém obohacení + (b) lze ji využít pro přípravu izotopů nejen uranu, ale mnoha dalších prvků. Do 60. let 20. století tak byla v Y-12 připravena různá množství stabilních izotopů všech přirozeně se vyskytujících prvků, který byly využity pro vojenské, vědecké nebo lékařské účely.
Výstavba komplexu náhled|Komplex Y-12 v roce 1945, používal elektromagnetickou separaci. Stavba s krycím označením Y-12 byla zahájena 18. února 1943, jako první ze tří nakonec vybudovaných komplexů na obohacování uranu v Oak Ridge. Komplex měl zahrnovat devět hlavních technologických budov a mnoho dalších staveb na celkové ploše téměř 80 akrů (32 hektarů). Bylo vybráno 825 akrů (334 hektarů) velké území v Bear Creek Valley jihozápadně od města Oak Ridge v naději, že okolní hřebeny nad údolím mohou zadržet případnou velkou explozi nebo jadernou havárii, pokud by k něčemu takovému přece jen došlo. Problémy s podložím si vyžádaly, aby výkopové čety provedly další odstřely a výkopové práce, aby zajistily pevné základy pro těžké stroje.
Začaly obrovské dodávky materiálů a zařízení všeho druhu: 2157 vagónů různého elektrotechnického materiálů a zařízení, 1219 vagónů těžkého zařízení, 5389 vagónů dřeva, 1407 vagónů trubek a armatur, 1188 vagónů oceli, 257 vagónů ventilů a 11 vagónů svařovacích elektrod. Dále bylo potřeba např. 85 000 elektronek. Kde to bylo možné, byly použity běžně dostupné komponenty, ale spousta zařízení byla unikátní. Byla proto zřízena dvě nákupní oddělení, jedno v Bostonu zaměřené na zařízení a druhé v Oak Ridge pro stavební materiál.
Zařízení mimo jiné vyžadovala nejméně 5000 tun mědi, která byla v době války velmi nedostatková. Měď bylo možno nahradit stříbrem v poměru 11:10. Zástupce hlavního inženýr Kenneth D. Nichols se proto setkal s náměstkem ministra financí a požádal ho o převod velké části stříbrných slitků z úložiště West Point Bullion Depository. Nichols později vzpomínal na tento podivný rozhovor: