náhled|Letecký pohled JV směrem na K-25 pro plynovou difúzi v Oak Ridge. Budova ve tvaru písmene „U“ o délce cca jedné míle byla největší na světě (překonala nedlouho předtím dokončenou budovu Pentagonu). náhled|Ed Westcott: Zaměstnanci uvnitř obří hlavní technologické budovy komplexu běžně jezdili na kole (muž v bílém overalu v zadní části chodby napravo). Komplex K-25 nebo jen K-25 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 úplně jinou technologii obohacování. Krátce po válce byly v sousedství K-25 postaveny ještě čtyři další menší objekty označované K-27, K-29, K-31 a K-33, kde se stejně jako v K-25 využívala metoda plynové difuze (gaseous diffusion).
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.
Několik čísel pro ilustraci: hlavní technologická budova „komplexu K-25“ ve tvaru „U“ s délkou přibližně jedné míle se stala největší budovou světa, když překonala nedlouho předtím (1943) dokončenou budovu Pentagonu. Komplex Y-12 zase vyžadoval nejvíce zaměstnanců, na směny v nepřetržitém provozu jich v něm nakonec pracovalo až 22 428!)
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. Zpočátku (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.
Krycí označení Krycí označení K-25 vzniklo složením počátečního písmene firmy, která komplex postavila a provozovala (Kellog, resp. dceřiná Kellex) a číslice 25, která se používala jako kódové označení uranu-235. Termín byl poprvé použit v interních dokumentech v březnu 1943 pro označení konečného produktu, tedy pro obohacený uran. Již v dubnu 1943 byl termín „komplex K-25“ použit pro továrnu, která ho bude vyrábět a záhy se termín „projekt K-25“ začal používat pro vše, co s metodou obohacování uranu pomocí plynové difúze nějak souviselo. Když byly po válce postaveny další budovy, dostaly rovněž označení začínají „K-“ a navazující číslo (K-27, K-29, K-31 a K-33).
Plynová difuze náhled|Plynová difuze používá pro oddělení izotopů polopropustné membrány. náhled|Jednotlivé stupně jsou propojeny do rozsáhlé kaskády.
Metoda plynové difuze je založena na Grahamově zákonu („Graham's law of effusion“ nebo „Graham's law of diffusion“), který formuloval skotský fyzikální chemik Thomas Graham již v roce 1848. Samotná metoda plynové difuze byla ještě před druhou světovou válkou úspěšně použita pro separaci izotopů jiných prvků (např. neonu nebo chloru.)
Na počátku války (v dubnu 1940) se setkala skupina předních vědců na zasedání American Physical Society. V té době se vyhlídky na sestrojení atomové bomby zdály ještě mizivé. Nicméně vědci se domnívali, že pro vyvolání řetězové reakce bude pravděpodobně potřebný obohacený uran. Proto doporučili provést výzkum s cílem vyvinout vhodné metody pro získání velkých (kilogramových) množství uranu-235.
Zhruba za měsíc (na obědě 21. května 1940) navrhl George Kistiakowsky (později v Los Alamos vedl divizi X, která mimo jiné vyvinula tzv. výbušné čočky) plynovou difuzi jako možnou metodu. O dost později byla tato myšlenka oprášena a bylo zjištěno, že fluorid uranový (UF6), je pravděpodobně jediná vhodná anorganická sloučenina. Fluor má pouze jeden přírodní izotop, takže rozdíl v molekulové hmotnosti sloučeniny (cca 1 %) je dán čistě rozdílem izotopů uranu. UF6 je při pokojové teplotě pevný, za běžného tlaku sublimuje při 56,5 °C.
Při obohacování pomocí plynové difuze je fluorid uranový ve formě plynu hnán kompresory na speciální bariérové filtry (polopropustné membrány). Otvory ve filtrech (membránách) musejí být právě tak velké, aby se přes ně dostaly molekuly UF6. Molekuly s izotopem U235 jsou proti U238 trochu lehčí, pohybují se malinko rychleji a mají tak o něco větší šanci projít membránou dříve. Na prvním obrázku „enriched stream“ označuje zvýšení podílu plynu s izotopem U235, zatímco „depleated stream“ označuje snížení jeho podílu, tedy naopak vyšší podíl plynu s izotopem U238.
Zvýšení v jednom kroku je však nepatrné, je třeba ho mnohokrát opakovat (v řádu stovek až tisíců), vytváří se tedy kaskády, jak zjednodušeně znázorňuje druhý obrázek (A, B, C označuje kompresory). Po dosažení požadovaného stupně obohacení (resp. po průchodu všemi stupni kaskády) je plyn vypuštěn z potrubí, nechá se nejprve zkondenzovat do kapalné formy, později vychladnout a ztuhnout.
Realizace principu v reálném provozu ale čelila mnoha zásadním problémům. Nejprve ve spolupráci laboratoře Special Alloyed Materials (SAM) na Kolumbijské univerzitě a společnosti Kellex bylo nutné překonat obrovské potíže při vývoji vhodné bariéry (membrány). Otvory musely být mikroskopické, ale neměly se zanášet. Membrány musely být porézní, ale zároveň dostatečně pevné, aby odolaly vysokému tlaku. Navíc fluorid uranový má silně korozivní účinky (čemuž musely odolat nejen membrány, ale veškeré další zařízení) a je velmi reaktivní, takže manipulovat s ním v průmyslovém měřítku je nesmírně obtížné.
Kontrakty Ještě před vznikem samotného projektu Manhattan (v červenci 1941) byl uzavřen tajný kontrakt se společností M. W. Kellogg (pozdější název „Kellogg Brown & Root“, současný název „KBR, Inc.“: společnost stále působí v oblasti vědy, technologií a inženýrství, mimo jiné pro obranný průmysl). Tajný kontrakt zahrnoval návrh a výstavbu zkušební desetistupňové továrny využívající plynovou difúzi. Cílem bylo jak vyzkoušení samotných technologií, tak ověřit proveditelnost případného pozdějšího mnohem většího komplexu.
Již v rámci projektu Manhattan (14. prosince 1942) byl uzavřen další kontrakt, v jehož rámci měla společnost M. W. Kellog „navrhnout, postavit a provozovat výrobní závod v plném rozsahu“. Smlouva neobvykle nevyžadovala od společnosti Kellogg žádné záruky, že tento úkol skutečně splní. Protože rozsah projektu bylo v té době prakticky nemožné přesně definovat, bylo dohodnuto, že veškeré finanční podrobnosti se odloží na pozdější smlouvu, která bude typu cost plus. Ta byla uzavřena v dubnu 1944 a společnost poté obdržela platbu ve výši 2,5 miliónu dolarů.
Z bezpečnostních důvodů armáda vyžadovala založil stoprocentní dceřinou společnost „Kellex Corporation“ (Kell od Kellog, "X" jako tajné), aby projekt byl zcela oddělen od ostatních činností mateřské společnosti. Řízením Kellex byl pověřen Percival C. Keith, viceprezident společnosti Kellogg pro inženýrství. Kellex měla nakonec přes 3700 zaměstnanců, část přešla z mateřské společnosti, další musela získat jinde.
Výstavba komplexu Inspekce na předpokládaném místě výstavby za účasti vedení Kellex proběhla 18. ledna 1943 (další zvažovaná lokality byly v blízkosti přehrady Shasta Dam v severní Kalifornii a Big Bend u řeky Columbia ve státě Washingtonu). Leslie Groves definitivně rozhodl o místě výstavby v dubnu 1943 (Oak Ridge: podrobnosti o výběru místa a výstavbě „atomového města“ pro 70 až 80 tisíc zaměstnanců).