35°55′56″N 84°23′42″O / 35.93222°N 84.39500°W / 35.93222; -84.39500
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K-25 fue el nombre en clave que le dio el Proyecto Manhattan al programa de producción de uranio enriquecido para bombas atómicas mediante el método de difusión gaseosa . Originalmente era el nombre en clave del producto, pero con el tiempo pasó a referirse al proyecto, a las instalaciones de producción ubicadas en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee , al edificio principal de difusión gaseosa y, en última instancia, al sitio. Cuando se construyó en 1944, la planta de difusión gaseosa K-25 de cuatro pisos era el edificio más grande del mundo y comprendía más de 5.264.000 pies cuadrados (489.000 m 2 ) [1] de espacio y un volumen de 97.500.000 pies cúbicos (2.760.000 m 3 ).
La construcción de las instalaciones K-25 estuvo a cargo de JA Jones Construction . En el punto álgido de la construcción, más de 25.000 trabajadores estaban empleados en el sitio. La difusión gaseosa fue sólo una de las tres tecnologías de enriquecimiento utilizadas por el Proyecto Manhattan. El producto ligeramente enriquecido procedente de la planta de difusión térmica S-50 se introdujo en la planta de difusión gaseosa K-25. Su producto, a su vez, se alimentaba a la planta electromagnética Y-12 . El uranio enriquecido fue utilizado en la bomba atómica Little Boy utilizada en el bombardeo atómico de Hiroshima . En 1946, la planta de difusión gaseosa K-25 pudo producir un producto altamente enriquecido.
Después de la guerra, se agregaron al sitio cuatro plantas de difusión gaseosa más llamadas K-27, K-29, K-31 y K-33. El sitio K-25 pasó a llamarse Planta de Difusión Gaseosa de Oak Ridge en 1955. La producción de uranio enriquecido terminó en 1964 y la difusión gaseosa finalmente cesó en el sitio el 27 de agosto de 1985. La Planta de Difusión Gaseosa de Oak Ridge pasó a llamarse Oak Ridge K- 25 en 1989 y el Parque Tecnológico del Este de Tennessee en 1996. La demolición de las cinco plantas de difusión gaseosa se completó en febrero de 2017.
El descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932, [2] seguido del de la fisión nuclear en uranio por los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1938, [3] y su explicación teórica (y denominación) por Lise Meitner y Otto Frisch poco después [4] abrió la posibilidad de una reacción nuclear en cadena controlada con uranio. En los Laboratorios Pupin de la Universidad de Columbia , Enrico Fermi y Leo Szilard comenzaron a explorar cómo se podría lograr esto. [2] Los temores de que un proyecto de bomba atómica alemán desarrollaría armas atómicas primero, especialmente entre los científicos que eran refugiados de la Alemania nazi y otros países fascistas , se expresaron en la carta de Einstein-Szilard al presidente de los Estados Unidos , Franklin D. Roosevelt. . Esto llevó a Roosevelt a iniciar una investigación preliminar a finales de 1939. [5]
Niels Bohr y John Archibald Wheeler aplicaron el modelo de gota de líquido del núcleo atómico para explicar el mecanismo de la fisión nuclear. [6] Cuando los físicos experimentales estudiaron la fisión, descubrieron resultados desconcertantes. George Placzek preguntó a Bohr por qué el uranio parecía fisionarse tanto con neutrones rápidos como con neutrones lentos. Mientras caminaba hacia una reunión con Wheeler, Bohr tuvo la idea de que la fisión a bajas energías se debía al isótopo de uranio-235 , mientras que a altas energías se debía principalmente al isótopo de uranio-238, mucho más abundante . [7] El primero constituye sólo el 0,714 por ciento de los átomos de uranio del uranio natural, aproximadamente uno de cada 140; [8] El uranio natural tiene un 99,28 por ciento de uranio-238. También hay una pequeña cantidad de uranio-234 , que representa sólo el 0,006 por ciento. [9]
En Columbia, John R. Dunning creía que éste era el caso, pero Fermi no estaba tan seguro. La única manera de resolver esto era obtener una muestra de uranio-235 y analizarla. [2] Consiguió que Alfred OC Nier, de la Universidad de Minnesota, preparara muestras de uranio enriquecido en uranio-234, 235 y 238 utilizando un espectrómetro de masas . Estos estuvieron listos en febrero de 1940, y Dunning, Eugene T. Booth y Aristid von Grosse llevaron a cabo una serie de experimentos. Demostraron que el uranio-235 era, de hecho, el principal responsable de la fisión con neutrones lentos, [10] pero no pudieron determinar secciones transversales precisas de captura de neutrones porque sus muestras no estaban suficientemente enriquecidas. [11] [12] [13]
En la Universidad de Birmingham , en Gran Bretaña, el físico australiano Mark Oliphant asignó a dos físicos refugiados, Otto Frisch y Rudolf Peierls , la tarea de investigar la viabilidad de una bomba atómica, irónicamente porque su condición de enemigos alienígenas les impedía trabajar en proyectos secretos como el radar. . [14] Su memorando Frisch-Peierls de marzo de 1940 indicaba que la masa crítica de uranio-235 estaba dentro de un orden de magnitud de 10 kilogramos (22 libras), que era lo suficientemente pequeña como para ser transportada por un avión bombardero de la época. [15]
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En abril de 1940, Jesse Beams , Ross Gunn , Fermi, Nier, Merle Tuve y Harold Urey se reunieron en la Sociedad Estadounidense de Física en Washington, DC. En ese momento, la perspectiva de construir una bomba atómica parecía remota, e incluso crear una cadena. La reacción probablemente requeriría uranio enriquecido. Por lo tanto, recomendaron que se llevaran a cabo investigaciones con el objetivo de desarrollar medios para separar cantidades en kilogramos de uranio-235. [16] En un almuerzo el 21 de mayo de 1940, George B. Kistiakowsky sugirió la posibilidad de utilizar la difusión gaseosa . [17]
La difusión gaseosa se basa en la ley de Graham , que establece que la velocidad de efusión de un gas a través de una barrera porosa es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa molecular del gas . En un recipiente con una barrera porosa que contiene una mezcla de dos gases, las moléculas más ligeras saldrán del recipiente más rápidamente que las moléculas más pesadas. El gas que sale del recipiente se enriquece ligeramente con las moléculas más ligeras, mientras que el gas residual se agota ligeramente. [18] Un recipiente en el que el proceso de enriquecimiento tiene lugar mediante difusión gaseosa se denomina difusor . [19]
La difusión gaseosa se había utilizado antes para separar isótopos. Francis William Aston lo había utilizado para separar parcialmente isótopos de neón en 1931, y Gustav Ludwig Hertz había mejorado el método para separar casi por completo el neón pasándolo por una serie de etapas. En Estados Unidos, William D. Harkins lo había utilizado para separar el cloro . Kistiakowsky estaba familiarizado con el trabajo de Charles G. Maier en la Oficina de Minas , quien también había utilizado el proceso para separar gases. [17]
Hexafluoruro de uranio ( UF
6) era el único compuesto conocido de uranio suficientemente volátil para ser utilizado en el proceso de difusión gaseosa. [18] Antes de que esto pudiera hacerse, los Laboratorios de Materiales Aleados Especiales (SAM) de la Universidad de Columbia y la Corporación Kellex tuvieron que superar dificultades formidables para desarrollar una barrera adecuada. Afortunadamente, el flúor se compone de un solo isótopo natural.19
F , de modo que la diferencia del 1 por ciento en pesos moleculares entre235
UF
6y238
UF
6se debe únicamente a la diferencia de pesos de los isótopos de uranio. Por estas razones, UF
6era la única opción como materia prima para el proceso de difusión gaseosa. [20] El hexafluoruro de uranio, un sólido a temperatura ambiente, se sublima a 56,5 °C (133,7 °F) a 1 atmósfera estándar (100 kPa). [21] [22] Aplicando la ley de Graham al hexafluoruro de uranio:
dónde:
El hexafluoruro de uranio es una sustancia altamente corrosiva . Es un oxidante [23] y un ácido de Lewis que puede unirse al fluoruro . [24] Reacciona con el agua para formar un compuesto sólido y es muy difícil de manipular a escala industrial. [20]
Booth, Dunning y von Grosse investigaron el proceso de difusión gaseosa. En 1941, se les unieron Francis G. Slack de la Universidad de Vanderbilt y Willard F. Libby de la Universidad de California . En julio de 1941, se otorgó un contrato de la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD) a la Universidad de Columbia para estudiar la difusión gaseosa. [10] [25] Con la ayuda del matemático Karl P. Cohen , construyeron una planta piloto de difusión gaseosa de doce etapas en los Laboratorios Pupin. [26] Las pruebas iniciales mostraron que las etapas no eran tan eficientes como sugeriría la teoría; [27] necesitarían alrededor de 4.600 etapas para enriquecer al 90 por ciento uranio-235. [18]
En julio de 1941 se otorgó un contrato secreto a MW Kellogg para estudios de ingeniería . [10] [25] Esto incluía el diseño y la construcción de una planta piloto de difusión gaseosa de diez etapas. El 14 de diciembre de 1942, el Distrito de Manhattan , el componente del Ejército de los EE. UU. del Proyecto Manhattan, como se conoció el esfuerzo por desarrollar una bomba atómica, contrató a Kellogg para diseñar, construir y operar una planta de producción a gran escala. Inusualmente, el contrato no requería ninguna garantía por parte de Kellogg de que realmente podría realizar esta tarea. Debido a que el alcance del proyecto no estaba bien definido, Kellogg y el Distrito de Manhattan acordaron diferir cualquier detalle financiero a un contrato posterior de costo plus , que se ejecutó en abril de 1944. Luego, Kellogg recibió $ 2,5 millones. [26]
Por razones de seguridad, el Ejército hizo que Kellogg estableciera una subsidiaria de propiedad total, Kellex Corporation , para que el proyecto de difusión gaseosa pudiera mantenerse separado de otros trabajos de la empresa. [26] "Kell" significa "Kellogg" y "X" significa secreto. [28] Kellex operaba como una entidad autónoma y autónoma. Percival C. Keith, vicepresidente de ingeniería de Kellogg, [28] fue puesto a cargo de Kellex. Recurrió en gran medida a Kellogg para dotar de personal a la nueva empresa, pero también tuvo que contratar personal externo. Con el tiempo, Kellex tendría más de 3.700 empleados. [26]
Dunning permaneció a cargo en Columbia hasta el 1 de mayo de 1943, cuando el distrito de Manhattan se hizo cargo del contrato de OSRD. En ese momento, el grupo de Slack tenía casi 50 miembros. El suyo era el grupo más grande y estaba trabajando en el problema más desafiante: el diseño de una barrera adecuada a través de la cual el gas pudiera difundirse. Otros 30 científicos y técnicos trabajaban en otros cinco grupos. Henry A. Boorse fue el responsable de las bombas; Stand para las unidades de prueba en cascada. Libby se encargó de la química, el trabajo analítico de Nier y Hugh C. Paxton, del soporte de ingeniería. [29] El Ejército reorganizó el esfuerzo de investigación en Columbia, que se convirtió en los Laboratorios de Materiales Aleados Especiales (SAM). Urey quedó a cargo y Dunning se convirtió en jefe de una de sus divisiones. [26] Permanecería así hasta el 1 de marzo de 1945, cuando Union Carbide se hizo cargo de los Laboratorios SAM . [30]
La ampliación de los Laboratorios SAM motivó la búsqueda de más espacio. El edificio Nash Garage en 3280 Broadway fue comprado por la Universidad de Columbia. Originalmente era un concesionario de automóviles, estaba a sólo unas cuadras del campus. El mayor Benjamin K. Hough Jr. era el ingeniero del área de Columbia del distrito de Manhattan y también trasladó sus oficinas aquí. [26] [31] Kellex estaba en el edificio Woolworth en 233 Broadway en el Bajo Manhattan . En enero de 1943, el teniente coronel James C. Stowers fue nombrado ingeniero del área de Nueva York, responsable de todo el proyecto K-25. Su pequeño personal, inicialmente de 20 militares y civiles, pero que gradualmente creció hasta más de 70, estaba ubicado en el edificio Woolworth. El distrito de Manhattan tenía sus oficinas cerca en 270 Broadway hasta que se mudó a Oak Ridge, Tennessee , en agosto de 1943. [26] [31]
El nombre en clave "K-25" era una combinación de la "K" de Kellex y "25", una designación en código de la era de la Segunda Guerra Mundial para el uranio-235 (un isótopo del elemento 92, número de masa 235). El término se utilizó por primera vez en los informes internos de Kellex para el producto final, uranio enriquecido, en marzo de 1943. En abril de 1943, el término "planta K-25" se utilizaba para la planta que la creó. Ese mes, el término "Proyecto K-25" se aplicó a todo el proyecto para desarrollar el enriquecimiento de uranio mediante el proceso de difusión gaseosa. Cuando se agregaron otros edificios "K-" después de la guerra, "K-25" se convirtió en el nombre del complejo original, más grande. [32] [33]
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La naturaleza altamente corrosiva del hexafluoruro de uranio presentó varios desafíos tecnológicos. Las tuberías y accesorios con los que entraba en contacto debían estar hechos o revestidos de níquel . Esto estaba bien para objetos pequeños, pero poco práctico para los grandes difusores, los contenedores tipo tanque que tenían que mantener el gas bajo presión. El níquel era un material de guerra vital, y aunque el Proyecto Manhattan podría aprovechar su prioridad absoluta para adquirirlo, fabricar los difusores con níquel sólido agotaría el suministro nacional. El director del Proyecto Manhattan, el general de brigada Leslie R. Groves Jr. , entregó el contrato para construir los difusores a Chrysler . A su vez, su presidente, KT Keller, encargó a Carl Heussner, experto en galvanoplastia , la tarea de desarrollar un proceso para galvanizar un objeto de tan grandes dimensiones. Los altos ejecutivos de Chrysler llamaron a esto "Proyecto X-100". [34] [35]
La galvanoplastia utilizó una milésima parte del níquel de un difusor de níquel sólido. Los Laboratorios SAM ya lo habían intentado y fracasaron. Heussner experimentó con un prototipo en un edificio construido dentro de otro edificio y descubrió que se podía hacer, siempre y cuando la serie de pasos de decapado y escalado necesarios se realizaran sin que nada entrara en contacto con el oxígeno. Toda la fábrica de Chrysler en Lynch Road en Detroit se dedicó a la fabricación de difusores. El proceso de galvanoplastia requirió más de 50.000 pies cuadrados (4.600 m 2 ) de espacio, varios miles de trabajadores y un complicado sistema de filtración de aire para garantizar que el níquel no estuviera contaminado. Al final de la guerra, Chrysler había construido y enviado más de 3.500 difusores. [34] [35]
El proceso de difusión gaseosa requería bombas adecuadas que debían cumplir requisitos estrictos. Al igual que los difusores, tenían que resistir la corrosión provocada por la alimentación de hexafluoruro de uranio. La corrosión no sólo dañaría las bombas, sino que contaminaría la alimentación. No podían permitirse ninguna fuga de hexafluoruro de uranio, especialmente si ya estaba enriquecido, ni de petróleo, que reaccionaría con el hexafluoruro de uranio. Tenían que bombear a un ritmo elevado y manejar un gas doce veces más denso que el aire. Para cumplir con estos requisitos, los Laboratorios SAM optaron por utilizar bombas centrífugas . Sabían que la relación de compresión deseada de 2,3:1 a 3,2:1 era inusualmente alta para este tipo de bomba. Para algunos propósitos, una bomba alternativa sería suficiente, [36] y éstas fueron diseñadas por Boorse en los Laboratorios SAM, mientras que Ingersoll Rand se ocupó de las bombas centrífugas. [37]
A principios de 1943, Ingersoll Rand se retiró. [38] Keith se acercó a Clark Compressor Company y Worthington Pump and Machinery , pero lo rechazaron, diciendo que no se podía hacer. [39] Entonces Keith y Groves vieron a ejecutivos de Allis-Chalmers , quienes acordaron construir una nueva fábrica para producir las bombas, a pesar de que el diseño de la bomba aún era incierto. A los Laboratorios SAM se les ocurrió un diseño y Westinghouse construyó algunos prototipos que se probaron con éxito. Luego, a Judson Swearingen, de Elliott Company, se le ocurrió un diseño revolucionario y prometedor que era mecánicamente estable y con sellos que contendrían el gas. Este diseño fue fabricado por Allis-Chalmers. [38]
Las dificultades con los difusores y las bombas palidecieron en importancia frente a las de la barrera porosa . Para funcionar, el proceso de difusión gaseosa requería una barrera con agujeros microscópicos, pero que no estuviera sujeta a taponamiento. Tenía que ser extremadamente poroso, pero lo suficientemente fuerte como para soportar altas presiones. Y, como todo lo demás, tenía que resistir la corrosión del hexafluoruro de uranio. Este último criterio sugirió una barrera de níquel. [38] Foster C. Nix en Bell Telephone Laboratories experimentó con polvo de níquel, mientras que Edward O. Norris en CO Jelliff Manufacturing Corporation y Edward Adler en el City College de Nueva York trabajaron en un diseño con níquel metálico galvanizado. [37] Norris era un decorador de interiores inglés que había desarrollado una malla metálica muy fina para usar con una pistola rociadora . [40] Su diseño parecía demasiado frágil para el uso propuesto, particularmente en las etapas superiores de enriquecimiento, pero había esperanzas de que esto pudiera superarse. [41]
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En 1943, Urey trajo a Hugh S. Taylor de la Universidad de Princeton para estudiar el problema de una barrera utilizable. Libby avanzó en la comprensión de la química del hexafluoruro de uranio, lo que generó ideas sobre cómo prevenir la corrosión y las obstrucciones. Los investigadores químicos de los Laboratorios SAM estudiaron los fluorocarbonos , que resistían la corrosión y podían usarse como lubricantes y refrigerantes en la planta de difusión gaseosa. A pesar de este progreso, el Proyecto K-25 estaba en serios problemas sin una barrera adecuada, y en agosto de 1943 se enfrentaba a la cancelación. El 13 de agosto, Groves informó al Comité de Política Militar, el comité principal que dirigió el Proyecto Manhattan, que un enriquecimiento por difusión gaseosa superior al cincuenta por ciento probablemente era inviable, y que la planta de difusión gaseosa se limitaría a producir un producto con un enriquecimiento menor que podría ser alimentado a los calutrones de la planta electromagnética Y-12. Por lo tanto, Urey comenzó los preparativos para producir en masa la barrera Norris-Adler, a pesar de sus problemas. [41]
Mientras tanto, Union Carbide y Kellex habían informado a los investigadores de Bakelite Corporation, una filial de Union Carbide, de los infructuosos esfuerzos de Nix con barreras de níquel en polvo. A Frazier Groff y otros investigadores de los laboratorios de Bakelite en Bound Brook, Nueva Jersey , les parecía que Nix no estaba aprovechando las últimas técnicas y comenzaron sus propios esfuerzos de desarrollo. Tanto Bell como Bound Brook enviaron muestras de sus barreras de níquel en polvo a Taylor para su evaluación, pero él no quedó impresionado; a ninguno de los dos se les había ocurrido una barrera práctica. En el laboratorio de Kellogg's en Jersey City, Nueva Jersey , Clarence A. Johnson, que estaba al tanto de los pasos dados por los Laboratorios SAM para mejorar la barrera Norris-Adler, se dio cuenta de que también se podían dar con la barrera de Baquelita. El resultado fue una barrera mejor que cualquiera de las dos, aunque aún por debajo de lo requerido. En una reunión en Columbia a la que asistió el ejército el 20 de octubre de 1943, Keith propuso trasladar el esfuerzo de desarrollo a la barrera Johnson. Urey se opuso a esto, temiendo que esto destruyera la moral en los Laboratorios SAM. La cuestión se planteó a Groves en una reunión el 3 de noviembre de 1943, y decidió continuar con el desarrollo de las barreras Johnson y Norris-Adler. [42]
Groves pidió ayuda británica, en la forma de Wallace Akers y quince miembros del proyecto británico de difusión gaseosa, quienes revisarían los avances realizados hasta el momento. [43] Su veredicto fue que, si bien la nueva barrera era potencialmente superior, el compromiso de Keith de construir una nueva instalación para producir la nueva barrera en sólo cuatro meses, producir todas las barreras necesarias en otros cuatro y tener la instalación de producción en funcionamiento en sólo doce "sería una especie de logro milagroso". [44] El 16 de enero de 1944, Groves falló a favor de la barrera Johnson. Johnson construyó una planta piloto para el nuevo proceso en el edificio Nash. Taylor analizó las barreras de muestra producidas y declaró que sólo el 5 por ciento de ellas eran de calidad aceptable. Edward Mack Jr. creó su propia planta piloto en Schermerhorn Hall en Columbia, y Groves obtuvo 80 toneladas cortas (73 t) de níquel de la International Nickel Company . Con abundante níquel para trabajar, en abril de 1944 ambas plantas piloto producían barreras de calidad aceptable el 45 por ciento del tiempo. [45]
El sitio elegido fue Clinton Engineer Works en Tennessee. El área fue inspeccionada por representantes del distrito de Manhattan, Kellex y Union Carbide el 18 de enero de 1943. También se consideraron los sitios cercanos a la presa Shasta en California y la Big Bend del río Columbia en el estado de Washington. La menor humedad de estas áreas las hizo más adecuadas para una planta de difusión gaseosa, pero el sitio de Clinton Engineer Works estuvo disponible de inmediato y por lo demás era adecuado. Groves se decidió por el sitio en abril de 1943. [46]
Según el contrato, Kellex era responsable no sólo del diseño y la ingeniería de la planta K-25, sino también de su construcción. El contratista principal de la construcción fue JA Jones Construction de Charlotte, Carolina del Norte . Había impresionado a Groves con su trabajo en varios proyectos importantes de construcción del ejército, [47] como Camp Shelby, Mississippi . [48] Había más de sesenta subcontratistas. [49] Kellex contrató a otra empresa constructora, Ford, Bacon & Davis, para construir las instalaciones de flúor y nitrógeno, y la planta de acondicionamiento. [49] Los trabajos de construcción fueron inicialmente responsabilidad del teniente coronel Warren George, jefe de la División de Construcción de Clinton Engineer Works. El mayor WP Cornelius se convirtió en el oficial de construcción responsable de las obras del K-25 el 31 de julio de 1943. [50] Respondía ante Stowers en Manhattan. [49] Se convirtió en Jefe de la División de Construcción el 1 de marzo de 1946. [50] JJ Allison era el ingeniero residente de Kellex y Edwin L. Jones, el director general de JA Jones. [51]
La construcción comenzó antes de finalizar el diseño del proceso de difusión gaseosa. Debido a la gran cantidad de energía eléctrica que se esperaba que consumiera la planta K-25, se decidió dotarla de su propia planta de energía eléctrica. Si bien la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) creía que podía satisfacer las necesidades de Clinton Engineer Works, había inquietud por depender de un solo proveedor cuando un corte de energía podría costar semanas de trabajo a la planta de difusión gaseosa y las líneas a TVA podrían ser saboteadas. . Una planta local era más segura. A los ingenieros de Kellex también les atrajo la idea de poder generar la corriente de frecuencia variable requerida por el proceso de difusión gaseosa sin transformadores complicados. [52]
Se eligió un sitio para esto en el extremo occidental del sitio de Clinton Engineer Works donde podría extraer agua fría del río Clinch y descargar agua tibia en Poplar Creek sin afectar el flujo de entrada. Groves aprobó esta ubicación el 3 de mayo de 1943. [53] El levantamiento topográfico comenzó en el sitio de la planta de energía el 31 de mayo de 1943, y JA Jones comenzó los trabajos de construcción al día siguiente. Debido a que el lecho de roca estaba de 35 a 40 pies (11 a 12 m) por debajo de la superficie, la planta de energía estaba sostenida sobre 40 cajones rellenos de concreto . [54] La instalación de la primera caldera comenzó en octubre de 1943. [55] Los trabajos de construcción se completaron a finales de septiembre. [56] Para evitar sabotajes, la central eléctrica estaba conectada a la planta de difusión gaseosa mediante un conducto subterráneo. A pesar de esto, hubo un acto de sabotaje, en el que un clavo atravesó el cable eléctrico. El culpable nunca fue encontrado, pero se consideró más probable que fuera un empleado descontento que un espía del Eje . [47]
La energía eléctrica en Estados Unidos se generaba a 60 hercios; la casa de máquinas pudo generar frecuencias variables entre 45 y 60 hercios, y frecuencias constantes de 60 y 120 hercios. Esta capacidad finalmente no fue necesaria, y todos menos uno de los sistemas K-25 funcionaron a 60 hercios constantes, con la excepción de 120 hercios constantes. [55] La primera caldera de carbón se puso en marcha el 7 de abril de 1944, seguida de la segunda el 14 de julio de 1944 y la tercera el 2 de noviembre de 1944. [56] Cada una producía 750.000 libras (340.000 kg) de vapor por hora a una presión de 1325 libras por pulgada cuadrada (9140 kPa) y una temperatura de 935 °F (502 °C). [55] Para obtener los catorce generadores de turbina necesarios, Groves tuvo que utilizar la prioridad del Proyecto Manhattan para anular a Julius Albert Krug , el director de la Oficina de Servicios Públicos de Guerra. [57] Los generadores de turbina tenían una potencia combinada de 238.000 kilovatios. La central eléctrica también podría recibir energía de TVA. Fue dado de baja en la década de 1960 y demolido en 1995. [55]
Se eligió un sitio para las instalaciones K-25 cerca de la escuela secundaria de la ciudad ahora abandonada de Wheat . A medida que las dimensiones de la instalación K-25 se hicieron más evidentes, se decidió trasladarla a un sitio más grande cerca de Poplar Creek, más cerca de la planta de energía. Este sitio fue aprobado el 24 de junio de 1943. [53] Se requirió un trabajo considerable para preparar el sitio. Se mejoraron las carreteras existentes en la zona para soportar el tráfico intenso. Se construyó una nueva carretera de 5,1 millas (8,2 km) para conectar el sitio con la Ruta 70 de los EE. UU. , y otra, de 5 millas (8,0 km) de largo, para conectar con la Ruta 61 del estado de Tennessee . Se mejoró un antiguo ferry sobre el río Clinch y luego se reemplazó con un puente de 360 pies (110 m) en diciembre de 1943. Se corrió un ramal de ferrocarril de 10,7 millas (17,2 km) desde Blair, Tennessee , hasta el sitio K-25. . También se proporcionaron unas 12,9 millas (20,8 km) de apartaderos. El primer vagón de mercancías atravesó la línea el 18 de septiembre de 1943. [58]
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Inicialmente se pretendía que los trabajadores de la construcción vivieran fuera del sitio, pero las malas condiciones de las carreteras y la escasez de alojamiento en la zona hicieron que los desplazamientos fueran largos y difíciles, y a su vez dificultaron la búsqueda y retención de trabajadores. Por lo tanto, los trabajadores de la construcción fueron alojados en grandes cabañas y campamentos de remolques. El campamento de JA Jones para trabajadores K-25, conocido como Happy Valley, [59] albergaba a 15.000 personas. Para ello se necesitaron 8 dormitorios, 17 cuarteles, 1.590 cabañas, 1.153 remolques y 100 Casas de la Victoria. [60] Se construyó una estación de bombeo para suministrar agua potable desde el río Clinch, junto con una planta de tratamiento de agua. [61] Las comodidades incluían una escuela, ocho cafeterías, una panadería, un teatro, tres salas de recreación, un almacén y una planta de almacenamiento en frío. [60] Ford, Bacon & Davis establecieron un campamento más pequeño para 2.100 personas. [60] La responsabilidad de los campos se transfirió a la Compañía Roane-Anderson el 25 de enero de 1946, y la escuela fue transferida al control del distrito en marzo de 1946. [62]
El trabajo comenzó en el área principal de la instalación de 130 acres (53 ha) el 20 de octubre de 1943. Aunque generalmente es plano, se tuvieron que excavar unas 3.500.000 yardas cúbicas (2.700.000 m 3 ) de tierra y roca desde áreas de hasta 46 pies (14 m). de altura, y hubo que rellenar seis áreas principales, hasta una profundidad máxima de 23,5 pies (7,2 m). Normalmente, los edificios que contienen maquinaria pesada complicada descansarían sobre columnas de hormigón hasta el lecho de roca, pero esto habría requerido miles de columnas de diferentes longitudes. Para ahorrar tiempo se utilizó en su lugar la compactación del suelo . Las capas se colocaron y compactaron con rodillos de pata de oveja en las zonas que debían rellenarse y las zapatas se colocaron sobre suelo compactado en las zonas bajas y suelo no perturbado en las zonas excavadas. Las actividades se superpusieron, por lo que se comenzó a verter el hormigón mientras aún se realizaba la nivelación . [63] [64] Las grúas comenzaron a levantar los marcos de acero para colocarlos en su lugar el 19 de enero de 1944. [65]
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El diseño de Kellex para el edificio de proceso principal de K-25 requería una estructura en forma de U de cuatro pisos de 0,5 millas (0,80 km) de largo que contuviera 51 edificios de proceso principal y 3 edificios en cascada de purga. [65] Estos se dividieron en nueve secciones. Dentro de estos había células de seis etapas. Las celdas podrían funcionar de forma independiente o consecutiva, dentro de una sección. De manera similar, las secciones podrían operarse por separado o como parte de una única cascada. [66] Cuando se completó, había 2.892 etapas. [67] El sótano albergaba los equipos auxiliares, como transformadores, interruptores y sistemas de aire acondicionado. La planta baja contenía las celdas. El tercer nivel contenía las tuberías. El cuarto piso era el piso de operaciones, que contenía la sala de control y los cientos de paneles de instrumentos. Desde aquí, los operadores siguieron el proceso. [68] La primera sección estuvo lista para las pruebas el 17 de abril de 1944, aunque las barreras aún no estaban listas para ser instaladas. [64]
El edificio de proceso principal superó al Pentágono como el edificio más grande del mundo, [68] con una superficie de 5.264.000 pies cuadrados (489.000 m 2 ) y un volumen cerrado de 97.500.000 pies cúbicos (2.760.000 m 3 ). [65] La construcción requirió 200.000 yardas cúbicas (150.000 m 3 ) de hormigón y 100 millas (160 km) de tuberías de gas. [69] Debido a que el hexafluoruro de uranio corroe el acero y las tuberías de acero tenían que recubrirse con níquel, las tuberías más pequeñas se fabricaban de cobre o monel . [68] El equipo funcionaba bajo presiones de vacío, por lo que las tuberías tenían que ser herméticas. Se hicieron esfuerzos especiales para crear un ambiente lo más limpio posible en las áreas donde se estaban instalando tuberías o accesorios. JA Jones estableció una unidad de limpieza especial el 18 de abril de 1944. Los edificios se sellaron completamente, se filtró el aire y toda la limpieza se realizó con aspiradoras y trapeadores. Los trabajadores llevaban guantes blancos sin pelusa. [70] En el pico de la actividad de construcción en mayo de 1945, 25.266 personas estaban empleadas en el sitio. [71]
Aunque con diferencia el más grande, el edificio de proceso principal (K-300) era sólo uno de los muchos que componían la instalación. Había un edificio de acondicionamiento (K-1401), donde se limpiaban las tuberías y los equipos antes de la instalación. Se construyó un edificio de purificación de alimento (K-101) para eliminar las impurezas del hexafluoruro de uranio, pero nunca funcionó como tal porque los proveedores proporcionaron alimento lo suficientemente bueno para ser introducido en el proceso de difusión gaseosa. El edificio de tres pisos para eliminación de desechos y sobrecarga (K-601) procesó la corriente de "cola" de hexafluoruro de uranio empobrecido . El edificio de aire acondicionado (K-1401) proporcionó 76.500 pies cúbicos (2.170 m 3 ) por minuto de aire limpio y seco. K-1201 comprimió el aire. La planta de nitrógeno (K-1408) proporcionó gas para usar como sellador de bombas y para proteger el equipo del aire húmedo. [68] [72] [73]
La planta generadora de flúor (K-1300) generó, envasó y almacenó flúor. [72] No había tenido una gran demanda antes de la guerra, y Kellex y el distrito de Manhattan consideraron cuatro procesos diferentes para la producción a gran escala. Se eligió un proceso desarrollado por Hooker Chemical Company . Debido a la naturaleza peligrosa del flúor, se decidió que no era aconsejable enviarlo a través de los Estados Unidos y que debería fabricarse en Clinton Engineer Works. [74] Dos casas de bombas (K-801 y K-802) y dos torres de enfriamiento (H-801 y H-802) proporcionaron 135.000.000 galones estadounidenses (510 ml) de agua de refrigeración por día para los motores y compresores. [68] [72] [73]
El edificio administrativo (K-1001) proporcionó 2 acres (0,81 ha) de espacio para oficinas. Un edificio de laboratorio (K-1401) contenía instalaciones para probar y analizar piensos y productos. Cinco almacenes de tambores (K-1025-A a -E) tenían 4300 pies cuadrados (400 m 2 ) de espacio para almacenar tambores de hexafluoruro de uranio. Originalmente esto estaba en el sitio K-27. Los edificios fueron trasladados en un camión para dar paso al K-27. También había almacenes para provisiones generales (K-1035), repuestos (K-1036) y equipos (K-1037). Una cafetería (K-1002) ofrecía instalaciones para comer, incluido un comedor segregado para los afroamericanos. Había tres vestuarios (K-1008-A, B y C), un dispensario (K-1003), un edificio de reparación de instrumentos (K-1024) y una estación de bomberos (K-1021). [68] [72]
A mediados de enero de 1945, Kellex propuso una extensión al K-25 para permitir un enriquecimiento del producto hasta en un 85 por ciento. Groves inicialmente aprobó esto, pero luego lo canceló a favor de una unidad de alimentación lateral de 540 etapas, que pasó a ser conocida como K-27, que podía procesar un producto ligeramente enriquecido. Esto luego podría alimentarse al K-25 o a los calutrones del Y-12 . Kellex estimó que el uso de la alimentación enriquecida del K-27 podría aumentar la producción del K-25 del 35 al 60 por ciento de uranio-235. [64] La construcción comenzó en K-27 el 3 de abril de 1945, [75] y se completó en diciembre de 1945. [68] El trabajo de construcción se aceleró convirtiéndolo en "prácticamente una copia china" de una sección de K-25. [76] Para el 31 de diciembre de 1946, cuando finalizó el Proyecto Manhattan, se habían realizado 110.048.961 horas-hombre de trabajo de construcción en el sitio K-25. [51] El costo total, incluido el del K-27, fue de $479,589,999 (equivalente a $6,21 mil millones en 2022 [77] ). [78]
La torre de agua (K-1206-F) era una estructura de 116 m (382 pies) que contenía 1.500.000 L (400.000 galones estadounidenses) de agua. Fue construido en 1958 por Chicago Bridge and Iron Company y sirvió como depósito para el sistema de extinción de incendios. En su construcción se utilizaron más de 1,5 millones de libras (680 toneladas) de acero. Funcionó hasta el 3 de junio de 2013, cuando se cerraron las válvulas. Luego fue drenado y desconectado, quedando fuera de servicio el 15 de julio. El 3 de agosto de 2013 fue demolido con explosivos. [79]
La especificación preliminar para la planta K-25 en marzo de 1943 exigía que produjera 1 kilogramo (2,2 libras) por día de un producto que era 90 por ciento de uranio-235. [80] A medida que se dieron cuenta de las dificultades prácticas, este objetivo se redujo al 36 por ciento. Por otro lado, el diseño en cascada significó que no era necesario completar la construcción antes de que la planta comenzara a operar. [81] En agosto de 1943, Kellex presentó un cronograma que exigía la capacidad de producir material enriquecido al 5 por ciento de uranio-235 para el 1 de junio de 1945, al 15 por ciento para el 1 de julio de 1945 y al 36 por ciento para el 23 de agosto de 1945. [82] Este El calendario se revisó en agosto de 1944 al 0,9 por ciento el 1 de enero de 1945, el 5 por ciento el 10 de junio de 1945, el 15 por ciento el 1 de agosto de 1945, el 23 por ciento el 13 de septiembre de 1945 y el 36 por ciento lo antes posible después de eso. [83]
Una reunión entre el distrito de Manhattan y Kellogg el 12 de diciembre de 1942 recomendó que Union Carbide operara la planta K-25. Esto se haría a través de una filial de propiedad absoluta, Carbon and Carbide Chemicals. El 18 de enero de 1943 se firmó un contrato de costo más tarifa fija, que fijaba la tarifa en 75.000 dólares al mes. Posteriormente, esto se incrementó a $ 96,000 por mes para operar tanto K-25 como K-27. [84] Union Carbide no deseaba ser el único operador de la instalación. Union Carbide sugirió que Ford, Bacon & Davis construyera y operara la planta de acondicionamiento. El distrito de Manhattan consideró esto aceptable y se negoció un contrato de costo más tarifa fija con una tarifa de 216.000 dólares por los servicios hasta finales de junio de 1945. El contrato se rescindió anticipadamente el 1 de mayo de 1945 , cuando Union Carbide se hizo cargo de la empresa. planta. Por lo tanto, Ford, Bacon & Davis recibió 202.000 dólares. [85] La otra excepción fue la planta del flúor. Se pidió a Hooker Chemical que supervisara la construcción de la planta de flúor e inicialmente que la operara por una tarifa fija de 24.500 dólares. La planta fue entregada a Union Carbide el 1 de febrero de 1945. [74]
Union Carbide se hizo cargo de parte del complejo K-300 en agosto de 1944, y funcionó como planta piloto, capacitando a operadores y desarrollando procedimientos, utilizando nitrógeno en lugar de hexafluoruro de uranio hasta octubre de 1944, y luego perfluoroheptano hasta abril de 1945. [84 ] El diseño de la planta de difusión gaseosa permitió completarla por tramos y ponerlos en funcionamiento mientras se continuaban los trabajos en los demás. JA Jones completó las primeras 60 etapas a fines de 1944. Antes de que cada etapa fuera aceptada, se sometió a pruebas por parte de los técnicos de JA Jones, Carbide and Carbon y SAM Laboratories para verificar que el equipo estuviera funcionando y que no hubiera fugas. Entre cuatrocientas y seiscientas personas dedicaron ocho meses a estas pruebas. El perfluoroheptano se utilizó como fluido de prueba hasta febrero de 1945, cuando se decidió utilizar hexafluoruro de uranio a pesar de su naturaleza corrosiva. [86]
El ingeniero del distrito de Manhattan, coronel Kenneth Nichols , puso al mayor John J. Moran a cargo de la producción en el K-25. La producción comenzó en febrero de 1945, [86] y el primer producto se envió a los calutrons en marzo. [87] En abril, la planta de difusión gaseosa producía el 1,1 por ciento del producto. [88] Luego se decidió que en lugar de procesar la alimentación de hexafluoruro de uranio de Harshaw Chemical Company, la planta de difusión gaseosa tomaría el producto de la planta de difusión térmica S-50 , con un enriquecimiento promedio de aproximadamente 0,85 por ciento. [89] El enriquecimiento del producto continuó mejorando, a medida que más etapas entraron en línea y funcionaron mejor de lo previsto. En junio el producto se estaba enriqueciendo al 7 por ciento; en septiembre era del 23 por ciento. [88] La planta S-50 dejó de funcionar el 9 de septiembre, [90] y Kellex transfirió la última unidad a Union Carbide el 11 de septiembre de 1945. [78] Se utilizó uranio altamente enriquecido en la bomba atómica Little Boy utilizada en el bombardeo de Hiroshima el 6 de agosto de 1945. [91]
Con el fin de la guerra en agosto de 1945, la prioridad del Proyecto Manhattan pasó de la velocidad a la economía y la eficiencia. Las cascadas eran configurables, por lo que podían producir una gran cantidad de producto ligeramente enriquecido ejecutándolas en paralelo, o una pequeña cantidad de producto altamente enriquecido ejecutándolas en serie. A principios de 1946, con el K-27 en funcionamiento, la instalación producía 3,6 kilogramos (7,9 libras) por día, enriquecido al 30 por ciento. El siguiente paso fue aumentar el enriquecimiento hasta el 60 por ciento. Esto se logró el 20 de julio de 1946. Esto presentó un problema, porque el Y-12 no estaba equipado para manejar alimento tan altamente enriquecido, pero el Laboratorio de Los Álamos requería el 95 por ciento. Durante un tiempo, el producto se mezcló con alimento para reducir el enriquecimiento al 30 por ciento. Llevar la concentración hasta el 95 por ciento generó preocupaciones de seguridad, ya que existía el riesgo de un accidente de criticidad . [92]
Después de algunas deliberaciones, con las opiniones solicitadas y obtenidas de Percival Keith, Norris Bradbury , Darol Froman , Elmer E. Kirkpatrick , Kenneth Nichols y Edward Teller , [93] se decidió que esto podría hacerse de manera segura si se tomaban las precauciones adecuadas. El 28 de noviembre de 1946, la planta K-25 comenzó a producir el 94 por ciento del producto. En este punto, se toparon con un serio defecto en el concepto de difusión gaseosa: el enriquecimiento en uranio-235 también enriquecía el producto en el no deseado y bastante inútil uranio-234, lo que hacía difícil elevar el enriquecimiento al 95 por ciento. El 6 de diciembre de 1946, la producción se redujo a 2,56 kilogramos (5,6 libras) por día enriquecidos al 93,7 por ciento de uranio-235, junto con el 1,9 por ciento de uranio-234. El Laboratorio de Los Álamos consideró que este producto era satisfactorio, por lo que el 26 de diciembre de 1946 se redujo la actividad de enriquecimiento en Y-12. El Proyecto Manhattan terminó unos días después. La responsabilidad de la instalación K-25 pasó a la nueva Comisión de Energía Atómica el 1 de enero de 1947. [94]
Los trabajadores de la planta estuvieron representados por el Sindicato Internacional de Trabajadores del Petróleo, la Química y la Atómica (OCAW). [95]
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El K-25 se convirtió en un prototipo para otras instalaciones de difusión gaseosa establecidas en los primeros años de la posguerra. El primero de ellos fue el K-27 de 374.000 pies cuadrados (34.700 m 2 ) completado en septiembre de 1945. Fue seguido por el K-29 de 15 acres (6,1 ha) en 1951, el de 20 acres (8,1 ha) K-31 en 1951 y el K-33 de 32 acres (13 ha) en 1954. [96] Se construyeron más instalaciones de difusión gaseosa en Paducah, Kentucky , en 1952, [97] y Portsmouth, Ohio , en 1954. [98 ] La planta K-25 pasó a llamarse Planta de Difusión Gaseosa Oak Ridge en 1955. [99]
Hoy en día, la separación de isótopos de uranio suele realizarse mediante el proceso ultracentrífugo , más eficiente desde el punto de vista energético, [100] desarrollado en la Unión Soviética después de la Segunda Guerra Mundial por ingenieros soviéticos y alemanes capturados que trabajaban detenidos. [101] El proceso de centrifugación fue el primer método de separación de isótopos considerado para el proyecto Manhattan, pero fue abandonado debido a desafíos técnicos al principio del proyecto. Cuando los científicos e ingenieros alemanes fueron liberados del cautiverio soviético a mediados de la década de 1950, Occidente tomó conciencia del diseño de la ultracentrífuga y comenzó a trasladar el enriquecimiento de uranio a este proceso mucho más eficiente. A medida que avanzó la tecnología centrífuga, fue posible llevar a cabo el enriquecimiento de uranio a menor escala sin los vastos recursos necesarios para construir y operar plantas de separación estilo "K" e "Y" de los años 1940 y 1950, un desarrollo que tuvo el efecto de aumentar preocupaciones sobre la proliferación nuclear . [102]
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Las cascadas de centrífugas comenzaron a funcionar en Oak Ridge en 1961. En 1975 se inauguró una instalación de prueba de centrífugas de gas (K-1210), seguida de una instalación de demostración de una planta de centrífugas más grande (K-1220) en 1982. En respuesta a una orden del presidente Lyndon B. Johnson recortó la producción de uranio enriquecido en un 25 por ciento, K-25 y K-27 cesaron su producción en 1964, pero en 1969 K-25 comenzó a producir uranio enriquecido entre un 3 y un 5 por ciento para su uso en reactores nucleares . Martin Marietta Energy reemplazó a Union Carbide como operador en 1984. La difusión gaseosa cesó el 27 de agosto de 1985. La Planta de Difusión Gaseosa de Oak Ridge pasó a llamarse Sitio Oak Ridge K-25 en 1989 y Parque Tecnológico del Este de Tennessee en 1996. [ 99] La producción de uranio enriquecido mediante difusión gaseosa cesó en Portsmouth en 2001 y en Paducah en 2013. [103] Hoy en día, todo el enriquecimiento comercial de uranio en los Estados Unidos se lleva a cabo mediante tecnología de centrifugación de gas. [104]
El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) contrató a British Nuclear Fuels Ltd (BNFL) en 1997 para descontaminar y desmantelar las instalaciones. Su filial Reactor Sites Management Company Limited (RSMC) fue adquirida por EnergySolutions en junio de 2007. Inicialmente, K-29, K-31 y K-33 debían conservarse para otros usos, pero posteriormente se decidió demolerlos. Bechtel Jacobs , el contratista de gestión ambiental, asumió la responsabilidad de las instalaciones en julio de 2005. La demolición del K-29 comenzó en enero de 2006 y finalizó en agosto. [96] La demolición del K-33 comenzó en enero de 2011 y se completó antes de lo previsto en septiembre de 2011. [105] Fue seguida por la demolición del K-31, que comenzó el 8 de octubre de 2014, [106] y se completó el 26 de junio de 2015. [107]
Bechtel Jacobs fue contratada para desmantelar y demoler las instalaciones K-25 en septiembre de 2008. El contrato, valorado en 1.480 millones de dólares, se hizo retroactivo a octubre de 2007 [108] y finalizó en agosto de 2011. Desde entonces, los trabajos de demolición han sido llevados a cabo por El actual contratista de gestión ambiental del DOE, URS | CH2M Hill Oak Ridge (UCOR). [109] Se esperaba que la demolición de las instalaciones K-25 estuviera terminada en julio de 2014. [110]
El 23 de enero de 2013, se completó la demolición de las alas norte y oeste, quedando solo una pequeña parte del ala este (6 unidades de 24 en el ala este). [111] La sección final del ala este fue derribada el 19 de diciembre de 2013. Los últimos escombros se retiraron en 2014. [112] La demolición de K-27, la última de las cinco instalaciones de difusión gaseosa en Oak Ridge, comenzó en febrero. 2016. [113] El senador estadounidense Lamar Alexander y el congresista estadounidense Chuck Fleischmann se unieron a 1.500 trabajadores para observar la caída del muro final el 30 de agosto de 2016. Su demolición se completó el 28 de febrero de 2017. [114]
Desde 2020, el sitio K-25 se está remodelando en parte para convertirlo en un aeropuerto de aviación general para dar servicio a la ciudad de Oak Ridge. El proyecto es un esfuerzo conjunto entre funcionarios de la ciudad de Oak Ridge, el Departamento de Transporte de Tennessee , la Comisión Regional de los Apalaches , el DOE y la Administración Federal de Aviación . [115] También se planean varias pequeñas instalaciones nucleares privadas en el sitio. [116] [117] [118]
El 27 de febrero de 2020, se inauguró en el sitio el Centro de Historia K-25, un museo de 7500 pies cuadrados. El museo es una rama del Museo Americano de Ciencia y Energía (AMSE) y presenta cientos de artefactos originales y exhibiciones interactivas relacionadas con el sitio K-25. [119] [120] [121]
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