35°55′56″N 84°23′42″O / 35.93222, -84.39500
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K-25 fue el nombre en clave dado por el Proyecto Manhattan al programa para producir uranio enriquecido para bombas atómicas utilizando el método de difusión gaseosa . Originalmente era el nombre en clave del producto, pero con el tiempo pasó a referirse al proyecto, a la instalación de producción ubicada 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, con más de 5.264.000 pies cuadrados (489.000 m 2 ) de espacio de planta y un volumen de 97.500.000 pies cúbicos (2.760.000 m 3 ).
La construcción de la planta K-25 estuvo a cargo de JA Jones Construction . En el momento álgido de la construcción, más de 25.000 trabajadores trabajaban en el lugar. La difusión gaseosa era sólo una de las tres tecnologías de enriquecimiento utilizadas por el Proyecto Manhattan. El producto ligeramente enriquecido de la planta de difusión térmica S-50 se introducía en la planta de difusión gaseosa K-25. Su producto, a su vez, se introducía en la planta electromagnética Y-12 . El uranio enriquecido se utilizó en la bomba atómica Little Boy utilizada en el bombardeo atómico de Hiroshima . En 1946, la planta de difusión gaseosa K-25 se volvió capaz de producir un producto altamente enriquecido.
Después de la guerra, se añadieron al lugar cuatro plantas de difusión gaseosa más, denominadas K-27, K-29, K-31 y K-33. En 1955, la planta K-25 pasó a llamarse Planta de Difusión Gaseosa de Oak Ridge. La producción de uranio enriquecido finalizó en 1964 y la difusión gaseosa cesó definitivamente en el lugar el 27 de agosto de 1985. En 1989, la Planta de Difusión Gaseosa de Oak Ridge pasó a llamarse Planta Oak Ridge K-25 y en 1996 Parque Tecnológico del Este de Tennessee. La demolición de las cinco plantas de difusión gaseosa se completó en febrero de 2017.
El descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932, [1] seguido por el de la fisión nuclear en uranio por los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1938, [2] y su explicación teórica (y denominación) por Lise Meitner y Otto Frisch poco después, [3] abrieron 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. [1] Los temores de que un proyecto alemán de bomba atómica desarrollara 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 impulsó a Roosevelt a iniciar una investigación preliminar a fines de 1939. [4]
Niels Bohr y John Archibald Wheeler aplicaron el modelo de gota líquida del núcleo atómico para explicar el mecanismo de la fisión nuclear. [5] A medida que los físicos experimentales estudiaban la fisión, descubrieron resultados desconcertantes. George Placzek le preguntó a Bohr por qué el uranio parecía fisionarse con neutrones rápidos y lentos . Al caminar hacia una reunión con Wheeler, Bohr tuvo la idea de que la fisión a bajas energías era causada por el isótopo uranio-235 , mientras que a altas energías era principalmente una reacción con el isótopo uranio-238 , mucho más abundante . [6] El primero constituye solo el 0,714 por ciento de los átomos de uranio en el uranio natural , aproximadamente uno de cada 140; [7] el uranio natural es 99,28 por ciento uranio-238. También hay una pequeña cantidad de uranio-234 , que representa solo el 0,006 por ciento. [8]
En Columbia, John R. Dunning creía que así era, pero Fermi no estaba tan seguro. La única forma de resolverlo era obtener una muestra de uranio-235 y analizarla. [1] Encargó a Alfred OC Nier, de la Universidad de Minnesota, que preparara muestras de uranio enriquecido en uranio-234, 235 y 238 utilizando un espectrómetro de masas . Estas muestras estuvieron listas 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, en efecto, el principal responsable de la fisión con neutrones lentos, [9] pero no pudieron determinar secciones eficaces precisas de captura de neutrones porque sus muestras no estaban suficientemente enriquecidas. [10] [11] [12]
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 extranjeros les impedía trabajar en proyectos secretos como el radar . [13] Su memorando Frisch-Peierls de marzo de 1940 indicaba que la masa crítica del 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. [14]
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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, D.C. En ese momento, la perspectiva de construir una bomba atómica parecía remota, e incluso crear una reacción en cadena probablemente requeriría uranio enriquecido. Por lo tanto, recomendaron que se realizara una investigación con el objetivo de desarrollar los medios para separar cantidades de kilogramos de uranio-235. [15] En un almuerzo el 21 de mayo de 1940, George B. Kistiakowsky sugirió la posibilidad de utilizar la difusión gaseosa . [16]
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. [17] Un recipiente en el que tiene lugar el proceso de enriquecimiento a través de la difusión gaseosa se denomina difusor . [18]
La difusión gaseosa ya se había utilizado para separar isótopos. Francis William Aston la había utilizado para separar parcialmente los isótopos del neón en 1931, y Gustav Ludwig Hertz había mejorado el método para separar casi por completo el neón haciéndolo pasar por una serie de etapas. En los Estados Unidos, William D. Harkins la había utilizado para separar el cloro . Kistiakowsky estaba familiarizado con el trabajo de Charles G. Maier en la Oficina de Minas , que también había utilizado el proceso para separar gases. [16]
Hexafluoruro de uranio ( UF
6) era el único compuesto conocido de uranio lo suficientemente volátil como para ser utilizado en el proceso de difusión gaseosa. [17] Antes de que esto pudiera hacerse, los Laboratorios de Materiales de Aleaciones Especiales (SAM) de la Universidad de Columbia y la Corporación Kellex tuvieron que superar enormes dificultades para desarrollar una barrera adecuada. El flúor consiste en un solo isótopo natural19
F , por lo que la diferencia del 1 por ciento en los pesos moleculares entre235
UF
6y238
UF
6es únicamente 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. [19] El hexafluoruro de uranio, un sólido a temperatura ambiente, sublima a 56,5 °C (133,7 °F) a 1 atmósfera estándar (100 kPa). [20] [21] Aplicando la ley de Graham al hexafluoruro de uranio:
dónde:
El hexafluoruro de uranio es una sustancia altamente corrosiva . Es un oxidante [22] y un ácido de Lewis que puede unirse al fluoruro . [23] Reacciona con el agua para formar un compuesto sólido y es muy difícil de manipular a escala industrial. [19]
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 adjudicó un contrato de la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD) a la Universidad de Columbia para estudiar la difusión gaseosa. [9] [24] Con la ayuda del matemático Karl P. Cohen , construyeron una planta piloto de difusión gaseosa de doce etapas en los Laboratorios Pupin. [25] Las pruebas iniciales mostraron que las etapas no eran tan eficientes como sugería la teoría; [26] necesitarían alrededor de 4.600 etapas para enriquecer al 90 por ciento el uranio-235. [17]
En julio de 1941, MW Kellogg recibió un contrato secreto para realizar estudios de ingeniería. [9] [24] Este 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 al 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 pudiera llevar a cabo esta tarea. Debido a que el alcance del proyecto no estaba bien definido, Kellogg y el Distrito de Manhattan acordaron aplazar cualquier detalle financiero a un contrato posterior de costo más margen , que se ejecutó en abril de 1944. Kellogg recibió entonces 2,5 millones de dólares. [25]
Por razones de seguridad, el Ejército hizo que Kellogg estableciera una subsidiaria de su propiedad absoluta, Kellex Corporation , para que el proyecto de difusión gaseosa pudiera mantenerse separado de otros trabajos de la compañía. [25] "Kell" significaba "Kellogg" y "X" significaba secreto. [27] Kellex operaba como una entidad autónoma y autónoma. Percival C. Keith, vicepresidente de ingeniería de Kellogg, [27] fue puesto a cargo de Kellex. Recurrió en gran medida a Kellogg para contratar personal para la nueva empresa, pero también tuvo que reclutar personal externo. Con el tiempo, Kellex tendría más de 3.700 empleados. [25]
Dunning permaneció a cargo de Columbia hasta el 1 de mayo de 1943, cuando el Distrito de Manhattan se hizo cargo del contrato de la 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 era responsable de las bombas; Booth de las unidades de prueba en cascada. Libby manejaba la química, Nier el trabajo analítico y Hugh C. Paxton, el apoyo de ingeniería. [28] El Ejército reorganizó el esfuerzo de investigación en Columbia, que se convirtió en los Laboratorios de Materiales de Aleación Especial (SAM). Urey fue puesto a cargo, Dunning se convirtió en jefe de una de sus divisiones. [25] Permanecería así hasta el 1 de marzo de 1945, cuando los Laboratorios SAM fueron absorbidos por Union Carbide . [29]
La expansión de los Laboratorios SAM condujo a una búsqueda de más espacio. El edificio Nash Garage en 3280 Broadway fue comprado por la Universidad de Columbia. Originalmente un concesionario de automóviles, estaba a solo 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 allí. [25] [30] Kellex estaba en el edificio Woolworth en 233 Broadway en el Bajo Manhattan . En enero de 1943, el teniente coronel James C. Stowers fue designado ingeniero del área de Nueva York, con la responsabilidad de todo el Proyecto K-25. Su pequeño personal, inicialmente de 20 militares y civiles, pero que gradualmente creció a más de 70, se ubicó 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. [25] [30]
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 lo 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. [31] [32]
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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 tenían que estar hechos o revestidos de níquel . Esto era factible para objetos pequeños, pero poco práctico para los grandes difusores, los contenedores tipo tanque que tenían que contener el gas bajo presión. El níquel era un material bélico vital, y aunque el Proyecto Manhattan podía usar 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. , dio el contrato para construir los difusores a Chrysler . A su vez, el presidente de Chrysler, KT Keller, asignó a Carl Heussner, un experto en galvanoplastia , la tarea de desarrollar un proceso para galvanizar un objeto tan grande. Los altos ejecutivos de Chrysler lo llamaron "Proyecto X-100". [33] [34]
La galvanoplastia utilizaba una milésima parte de la cantidad de níquel necesaria para un difusor de níquel sólido. Los laboratorios SAM ya habían intentado esto y fracasaron. Heussner experimentó con un prototipo en un edificio construido dentro de un edificio y descubrió que se podía hacer, siempre que la serie de pasos de decapado y descascarillado necesarios se hicieran 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 requería más de 50.000 pies cuadrados (4.600 m 2 ) de espacio de planta, varios miles de trabajadores y un complicado sistema de filtración de aire para garantizar que el níquel no se contaminara. Al final de la guerra, Chrysler había construido y enviado más de 3.500 difusores. [33] [34]
El proceso de difusión gaseosa requería bombas adecuadas que debían cumplir requisitos estrictos. Al igual que los difusores, las bombas tenían que resistir la corrosión de la alimentación de hexafluoruro de uranio. La corrosión no solo dañaría las bombas, sino que contaminaría la alimentación. No podía haber fugas de hexafluoruro de uranio (especialmente si ya estaba enriquecido) o de aceite, que reaccionaría con el hexafluoruro de uranio. Las bombas debían funcionar a altas velocidades y manejar un gas 12 veces más denso que el aire. Para cumplir con estos requisitos, los Laboratorios SAM decidieron utilizar bombas centrífugas . 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 reciprocante sería suficiente, [35] y estas fueron diseñadas por Boorse en los Laboratorios SAM, mientras que Ingersoll Rand se encargó de las bombas centrífugas. [36]
A principios de 1943, Ingersoll Rand se retiró. [37] Keith se acercó a Clark Compressor Company y Worthington Pump and Machinery , pero lo rechazaron, diciendo que no se podía hacer. [38] Entonces Keith y Groves se reunieron con ejecutivos de Allis-Chalmers , quienes aceptaron construir una nueva fábrica para producir las bombas, a pesar de que el diseño de la bomba aún era incierto. Los Laboratorios SAM idearon un diseño y Westinghouse construyó algunos prototipos que se probaron con éxito. Luego, Judson Swearingen en Elliott Company ideó un diseño revolucionario y prometedor que era mecánicamente estable con sellos que contendrían el gas. Este diseño fue fabricado por Allis-Chalmers. [37]
Las dificultades con los difusores y las bombas palidecían en importancia al lado de las que presentaba 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 porosa pero lo suficientemente fuerte como para soportar las altas presiones. Y, como todo lo demás, tenía que resistir la corrosión del hexafluoruro de uranio. El último criterio sugería una barrera de níquel. [37] Foster C. Nix en los Bell Telephone Laboratories experimentó con polvo de níquel, mientras que Edward O. Norris en la CO Jelliff Manufacturing Corporation y Edward Adler en el City College de Nueva York trabajaron en un diseño con níquel galvanizado. [36] Norris era un decorador de interiores inglés que había desarrollado una malla metálica muy fina para usar con una pistola rociadora . [39] El diseño parecía demasiado frágil y quebradizo para el uso propuesto, particularmente en las etapas más altas de enriquecimiento, pero había esperanzas de que esto pudiera superarse. [40]
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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 le llevó a ideas sobre cómo prevenir la corrosión y el taponamiento. 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 tenía 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 superior que dirigía el Proyecto Manhattan) que el enriquecimiento por difusión gaseosa en exceso del cincuenta por ciento probablemente era inviable, y la planta de difusión gaseosa se limitaría a producir un producto con un enriquecimiento menor que podría alimentarse 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. [40]
Mientras tanto, Union Carbide y Kellex habían informado a los investigadores de Bakelite Corporation, una subsidiaria de Union Carbide, de los esfuerzos infructuosos de Nix con las barreras de níquel en polvo. A Frazier Groff y otros investigadores de los laboratorios de Bakelite en Bound Brook, Nueva Jersey , les pareció 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 que las evaluara, pero no le impresionaron; ninguno había logrado una barrera práctica. En el laboratorio de Kellogg en Jersey City, Nueva Jersey , Clarence A. Johnson, que estaba al tanto de las medidas adoptadas por los Laboratorios SAM para mejorar la barrera Norris-Adler, se dio cuenta de que también se podían tomar con la barrera de baquelita. El resultado fue una barrera mejor que ambas, aunque todavía lejos de lo que se necesitaba. En una reunión en Columbia con la asistencia del Ejército el 20 de octubre de 1943, Keith propuso cambiar el esfuerzo de desarrollo a la barrera Johnson. Urey se mostró reacio a ello, temiendo que esto destruyera la moral en los Laboratorios SAM. El asunto se le 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. [41]
Groves solicitó la ayuda británica, en forma de Wallace Akers y quince miembros del proyecto británico de difusión gaseosa, quienes revisaron el progreso realizado hasta el momento. [42] 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 solo cuatro meses, producir todas las barreras requeridas en otros cuatro y tener la instalación de producción en funcionamiento en solo doce "sería algo así como un logro milagroso". [43] 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 solo 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 mucho níquel con el que trabajar, en abril de 1944 ambas plantas piloto estaban produciendo barreras de calidad aceptable a un ritmo del 45 por ciento. [44]
El lugar elegido para el proyecto fue la fábrica de ingeniería Clinton 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 lugares cerca de la presa Shasta en California y la Gran Curva del río Columbia en el estado de Washington. La menor humedad de estas áreas las hacía más adecuadas para una planta de difusión gaseosa, pero la fábrica de ingeniería Clinton estaba disponible de inmediato y era adecuada en todos los aspectos. Groves se decidió por el sitio en abril de 1943. [45]
Según el contrato, Kellex no solo era responsable 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 de construcción importantes del Ejército, [46] como Camp Shelby, Mississippi . [47] Había más de sesenta subcontratistas. [48] Kellex contrató a otra empresa de construcción, Ford, Bacon & Davis, para construir las instalaciones de flúor y nitrógeno, y la planta de acondicionamiento. [48] El trabajo de construcción fue 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 de K-25 el 31 de julio de 1943. [49] Era responsable ante Stowers en Manhattan. [48] Se convirtió en jefe de la división de construcción el 1 de marzo de 1946. [49] JJ Allison era el ingeniero residente de Kellex y Edwin L. Jones, el gerente general de JA Jones. [50]
La construcción comenzó antes de que se completara 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 Tennessee Valley Authority (TVA) creía que podía satisfacer las necesidades de Clinton Engineer Works, existía la inquietud de depender de un solo proveedor cuando un corte de energía podría costarle a la planta de difusión gaseosa semanas de trabajo y las líneas a la TVA podrían ser saboteadas. Una planta local era más segura. Los ingenieros de Kellex también se sintieron atraídos por la idea de poder generar la corriente de frecuencia variable requerida por el proceso de difusión gaseosa sin transformadores complicados. [51]
Se eligió un sitio para esto en el borde occidental del sitio de Clinton Engineer Works donde podría extraer agua fría del río Clinch y descargar agua tibia en Poplar Creek sin afectar la afluencia. Groves aprobó esta ubicación el 3 de mayo de 1943. [52] La topografía comenzó en el sitio de la planta de energía el 31 de mayo y JA Jones comenzó el trabajo de construcción al día siguiente. Debido a que el lecho de roca estaba de 35 a 40 pies (11 a 12 m) debajo de la superficie, la planta de energía se sostuvo sobre 40 cajones llenos de concreto . [53] La instalación de la primera caldera comenzó en octubre de 1943. [54] El trabajo de construcción se completó a fines de septiembre. [55] Para evitar sabotajes, la planta de energía se conectó a la planta de difusión gaseosa mediante un conducto subterráneo. A pesar de esto, hubo un acto de sabotaje, en el que se clavó un clavo a través del cable eléctrico. El culpable nunca fue encontrado, pero se consideró más probable que fuera un empleado descontento que un espía del Eje . [46]
La energía eléctrica en los Estados Unidos se generaba a 60 hercios; la central eléctrica podía generar frecuencias variables entre 45 y 60 hercios, y frecuencias constantes de 60 y 120 hercios. Esta capacidad no fue finalmente necesaria, y todos los sistemas K-25, excepto uno, funcionaron a 60 hercios constantes; la excepción utilizó 120 hercios constantes. [54] La primera caldera de carbón se puso en marcha el 7 de abril de 1944, seguida por la segunda el 14 de julio y la tercera el 2 de noviembre. [55] Cada una producía 750.000 libras (340.000 kg) de vapor por hora, 1.325 libras por pulgada cuadrada (9.140 kPa) y 935 °F (502 °C). [54] Para obtener los catorce generadores de turbina necesarios, Groves tuvo que usar la prioridad del Proyecto Manhattan para anular a Julius Albert Krug , el director de la Oficina de Servicios de Guerra. [56] Los generadores de turbina tenían una potencia combinada de 238.000 kilovatios. La central también podía recibir energía de TVA. Fue desmantelada en la década de 1960 y demolida en 1995. [54]
Se eligió un sitio para la instalación K-25 cerca de la escuela secundaria de la ciudad 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. [52] Se requirió un trabajo considerable para preparar el sitio. Se mejoraron las carreteras existentes en el área para soportar tráfico pesado. Se construyó una carretera de 5,1 millas (8,2 km) para conectar el sitio con la Ruta 70 de EE. UU. , y otra, de 5 millas (8,0 km) de largo, para conectar con la Ruta Estatal 61 de Tennessee . Se actualizó un ferry sobre el río Clinch y luego se reemplazó con un puente de 360 pies (110 m) de largo en diciembre de 1943. Se ejecutó un ramal ferroviario de 10,7 millas (17,2 km) desde Blair, Tennessee , hasta el sitio K-25. También se construyeron unos 20,8 km de vías de derivación . El primer vagón de mercancías atravesó la línea el 18 de septiembre de 1943. [57]
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Inicialmente, se pretendía que los trabajadores de la construcción vivieran fuera del lugar, pero el mal estado de las carreteras y la escasez de alojamientos en la zona hacían que los desplazamientos fueran largos y difíciles, lo que a su vez dificultaba la búsqueda y retención de trabajadores. Por ello, los trabajadores de la construcción se alojaban en grandes campamentos de cabañas y caravanas. El campamento de JA Jones para trabajadores de K-25, conocido como Happy Valley, [58] albergaba a 15.000 personas. Esto requería 8 dormitorios, 17 barracones, 1.590 cabañas, 1.153 caravanas y 100 casas Victory. [59] Se construyó una estación de bombeo para suministrar agua potable del río Clinch, junto con una planta de tratamiento de agua. [60] Las comodidades incluían una escuela, ocho cafeterías, una panadería, un teatro, tres salas de recreo, un almacén y una planta de almacenamiento en frío. [59] Ford, Bacon & Davis estableció un campamento más pequeño para 2.100 personas. [59] La responsabilidad de los campos fue transferida a la Compañía Roane-Anderson el 25 de enero de 1946, y la escuela fue transferida al control del distrito en marzo de 1946. [61]
El trabajo en el área principal de la instalación de 130 acres (53 ha) comenzó el 20 de octubre de 1943. Aunque el sitio era generalmente plano, se tuvieron que excavar unos 3.500.000 yardas cúbicas (2.700.000 m3 ) de tierra y roca en áreas de hasta 46 pies (14 m) de altura, y se tuvieron que rellenar seis áreas principales , hasta una profundidad máxima de 23,5 pies (7,2 m). Normalmente, los edificios que contienen maquinaria pesada complicada se apoyarían sobre cajones de hormigón hasta el lecho de roca, pero esto habría requerido miles de cajones. Para ahorrar tiempo, se utilizó en su lugar compactación del suelo y zapatas poco profundas . Se colocaron capas y se compactaron con rodillos de pata de oveja en las áreas que debían rellenarse, y las zapatas se colocaron sobre tierra compactada en las áreas bajas y sobre tierra no alterada en las áreas que se habían excavado. Las actividades se superpusieron, por lo que el vertido de hormigón comenzó mientras aún se realizaba la nivelación . [62] [63] Las grúas comenzaron a levantar los marcos de acero para colocarlos en su lugar el 19 de enero de 1944. [64]
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El diseño de Kellex para el edificio principal de proceso de K-25 requería una estructura en forma de U de cuatro pisos de 0,5 millas (0,80 km) de largo que contenía 51 edificios de proceso principal y tres edificios de cascada de purga. [64] Estos se dividían en nueve secciones. Dentro de ellas había celdas de seis etapas. Las celdas podían operar de forma independiente o consecutiva dentro de una sección. De manera similar, las secciones podían operar por separado o como parte de una sola cascada. [65] Cuando se completó, había 2.892 etapas. [66] El sótano albergaba el equipo auxiliar, como los transformadores, los cuadros de distribución y los 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 monitoreaban el proceso. [67] La primera sección estaba lista para las pruebas el 17 de abril de 1944, aunque las barreras aún no estaban listas para ser instaladas. [63]
El edificio principal de procesos superó al Pentágono como el edificio más grande del mundo, [67] 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 ). [64] La construcción requirió 200.000 yardas cúbicas (150.000 m 3 ) de hormigón y 100 millas (160 km) de tuberías de gas. [68] Debido a que el hexafluoruro de uranio corroe el acero y las tuberías de acero tuvieron que recubrirse de níquel, las tuberías más pequeñas se hicieron de cobre o monel . [67] El equipo operaba bajo presiones de vacío, por lo que la plomería tenía que ser hermética. Se hicieron esfuerzos especiales para crear un ambiente lo más limpio posible en las áreas donde se instalaban tuberías o accesorios. El 18 de abril de 1944, JA Jones creó una unidad especial de limpieza. Los edificios estaban completamente sellados, el aire se filtraba y toda la limpieza se hacía con aspiradoras y fregonas. Los trabajadores llevaban guantes blancos que no dejaban pelusa. [69] En el pico de actividad de la construcción, en mayo de 1945, 25.266 personas trabajaban en la obra. [70]
Aunque era el edificio de proceso principal (K-300), el más grande, era 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 la alimentación (K-101) para eliminar las impurezas del hexafluoruro de uranio, pero nunca funcionó como tal porque los proveedores proporcionaban una alimentación lo suficientemente pura como para ser introducida en el proceso de difusión gaseosa. El edificio de eliminación de residuos y oleadas de tres pisos (K-601) procesaba la corriente de "cola" de hexafluoruro de uranio empobrecido . El edificio de aire acondicionado (K-1401) proporcionaba 76.500 pies cúbicos (2.170 m 3 ) por minuto de aire limpio y seco. K-1201 comprimía el aire. La planta de nitrógeno (K-1408) proporcionaba gas para su uso como sellador de bombas y para proteger los equipos del aire húmedo. [67] [71] [72]
La planta generadora de flúor (K-1300) generaba, embotellaba y almacenaba flúor. [71] 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 el sitio en Clinton Engineer Works. [73] Dos estaciones de bombeo (K-801 y K-802) y dos torres de enfriamiento (H-801 y H-802) proporcionaban 135.000.000 galones estadounidenses (510 ml) de agua de refrigeración por día para los motores y compresores. [67] [71] [72]
El edificio de administración (K-1001) ofrecía 2 acres (0,81 ha) de espacio de oficina. Un edificio de laboratorio (K-1401) contenía instalaciones para probar y analizar alimentos y productos. Cinco almacenes de bidones (K-1025-A a -E) tenían 4.300 pies cuadrados (400 m 2 ) de espacio de piso para almacenar bidones de hexafluoruro de uranio. También había almacenes para productos generales (K-1035), repuestos (K-1036) y equipos (K-1037). Una cafetería (K-1002) proporcionaba instalaciones para comidas, incluido un comedor separado para 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). [67] [71]
A mediados de enero de 1945, Kellex propuso una ampliación de la K-25 para permitir un enriquecimiento del producto de hasta el 85 por ciento. Groves inicialmente aprobó esto, pero luego lo canceló a favor de una unidad de alimentación lateral de 540 etapas, que se conocería como K-27, que podría procesar un producto ligeramente enriquecido. Este podría luego ser alimentado a la K-25 o a los calutrones en Y-12. Kellex estimó que el uso de la alimentación enriquecida de la K-27 podría elevar la producción de la K-25 del 35 al 60 por ciento de uranio-235. [63] La construcción de la K-27 comenzó el 3 de abril de 1945 [74] y se completó en diciembre de 1945. [67] Los cinco almacenes de bidones se trasladaron en camión para dejar paso a la K-27. El trabajo de construcción se aceleró al convertirla en "prácticamente una copia china" de una sección de la K-25. [75] 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. [50] El costo total, incluido el de K-27, fue de $479.589.999 (equivalente a $6.44 mil millones en 2023 [76] ). [77]
La torre de agua (K-1206-F) era una estructura de 116 m de altura que contenía 1.500.000 l de agua. Fue construida en 1958 por la Chicago Bridge and Iron Company y sirvió como depósito para el sistema de extinción de incendios. En su construcción se utilizaron más de 680 toneladas de acero. Funcionó hasta junio de 2013 y fue demolida en agosto de 2013. [78]
La especificación preliminar para la planta K-25 en marzo de 1943 exigía que produjera 1 kilogramo (2,2 libras) por día de producto que era 90 por ciento uranio-235. [79] A medida que se fueron dando cuenta de las dificultades prácticas, este objetivo se redujo al 36 por ciento. Por otro lado, el diseño en cascada significaba que no era necesario que la construcción estuviera completa antes de que la planta comenzara a operar. [80] En agosto de 1943, Kellex presentó un programa que exigía una capacidad para producir material enriquecido al 5 por ciento de uranio-235 para el 1 de junio de 1945; 15 por ciento para el 1 de julio; y 36 por ciento para el 23 de agosto. [81] Este programa fue revisado en agosto de 1944 al 0,9 por ciento para el 1 de enero de 1945; 5 por ciento para el 10 de junio; 15 por ciento para el 1 de agosto; 23 por ciento para el 13 de septiembre; y 36 por ciento lo antes posible después de eso. [82]
En una reunión celebrada el 12 de diciembre de 1942 entre el Distrito de Manhattan y Kellogg, se recomendó que la planta K-25 fuera operada por Union Carbide, a través de una subsidiaria de su propiedad, Carbon and Carbide Chemicals. El 18 de enero de 1943 se firmó un contrato de costo más tarifa fija, que establecía una tarifa de 75.000 dólares al mes, que luego se incrementó a 96.000 dólares al mes para operar tanto la K-25 como la K-27. [83] Union Carbide no deseaba ser el único operador de la instalación; sugirió que la planta de acondicionamiento fuera construida y operada por Ford, Bacon & Davis. 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 servicios hasta fines de junio de 1945. El contrato se rescindió anticipadamente el 1 de mayo de 1945, cuando Union Carbide se hizo cargo de la planta. Por lo tanto, Ford, Bacon & Davis recibió 202.000 dólares. [84] La otra excepción fue la planta de flúor. Se le pidió a Hooker Chemical que supervisara la construcción de la planta de flúor y que la operara inicialmente por una tarifa fija de 24.500 dólares. La planta fue entregada a Union Carbide el 1 de febrero de 1945. [73]
En agosto de 1944, Union Carbide se hizo cargo de una parte del complejo K-300, que se utilizó como planta piloto para entrenar a los operadores y desarrollar procedimientos, utilizando nitrógeno en lugar de hexafluoruro de uranio hasta octubre de 1944, y luego perfluoroheptano hasta abril de 1945. [83] El diseño de la planta de difusión gaseosa permitió que se completara por secciones y que estas se pusieran en funcionamiento mientras se continuaba con el trabajo en las 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 JA Jones, Carbide and Carbon y técnicos de SAM Laboratories para verificar que el equipo funcionaba y que no había 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. [85]
El ingeniero del distrito de Manhattan, coronel Kenneth Nichols, puso al mayor John J. Moran a cargo de la producción en K-25. La producción comenzó en febrero de 1945, [85] y el primer producto se envió a los calutrones en marzo. [86] Para abril, la planta de difusión gaseosa estaba produciendo un 1,1 por ciento de producto. [87] Entonces se decidió que en lugar de procesar la alimentación de hexafluoruro de uranio de la 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 el 0,85 por ciento. [88] El enriquecimiento del producto continuó mejorando a medida que más etapas entraron en funcionamiento y funcionaron mejor de lo previsto. Para junio, el producto se estaba enriqueciendo al 7 por ciento; para septiembre, era del 23 por ciento. [87] La planta S-50 dejó de funcionar el 9 de septiembre, [89] y Kellex transfirió la última unidad a Union Carbide el 11 de septiembre. [77] El uranio altamente enriquecido se utilizó en la bomba atómica Little Boy utilizada en el bombardeo de Hiroshima el 6 de agosto. [90]
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 al hacerlas funcionar en paralelo, o una pequeña cantidad de producto altamente enriquecido al hacerlas funcionar en serie. A principios de 1946, con el K-27 en funcionamiento, la instalación producía 3,6 kilogramos (7,9 libras) por día, enriquecidos al 30 por ciento. El siguiente paso fue aumentar el enriquecimiento aún más al 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 un alimento que estaba tan altamente enriquecido, pero el Laboratorio de Los Álamos requería el 95 por ciento. Durante un tiempo, el producto se mezcló con el alimento para reducir el enriquecimiento al 30 por ciento. Llevar la concentración hasta el 95 por ciento planteó problemas de seguridad, ya que existía el riesgo de un accidente de criticidad . [91]
Después de algunas deliberaciones, con las opiniones buscadas y obtenidas de Percival Keith, Norris Bradbury , Darol Froman , Elmer E. Kirkpatrick , Kenneth Nichols y Edward Teller , [92] 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 un producto del 94 por ciento. En este punto, se encontraron con una falla grave en el concepto de difusión gaseosa: el enriquecimiento en uranio-235 también enriquecía el producto en el uranio-234 no deseado y bastante inútil, lo que dificultaba aumentar el enriquecimiento al 95 por ciento. El 6 de diciembre de 1946, la producción se redujo a 2,56 kilogramos (5,6 lb) constantes 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 era un producto satisfactorio, por lo que el 26 de diciembre de 1946 se suspendió la actividad de enriquecimiento en Y-12. El Proyecto Manhattan finalizó unos días después. La responsabilidad de la instalación K-25 pasó entonces a la recién creada Comisión de Energía Atómica el 1 de enero de 1947. [93] Los trabajadores de la planta estaban representados por el Sindicato Internacional de Trabajadores del Petróleo, la Química y la Energía Atómica . [94]
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La K-25 se convirtió en un prototipo para otras instalaciones de difusión gaseosa establecidas en los primeros años de la posguerra. La primera de ellas fue la K-27 de 374.000 pies cuadrados (34.700 m2 ) que se completó en septiembre de 1945. Le siguieron la K-29 de 15 acres (6,1 ha) en 1951, la K-31 de 20 acres (8,1 ha) en 1951 y la K-33 de 32 acres (13 ha) en 1954. [95] Se construyeron instalaciones de difusión gaseosa en Paducah, Kentucky , en 1952, [96] y en Portsmouth, Ohio , en 1954. [97] La planta K-25 pasó a llamarse Planta de Difusión Gaseosa Oak Ridge en 1955. [98]
En la actualidad, la separación de isótopos de uranio se realiza habitualmente mediante el proceso de ultracentrífuga , más eficiente energéticamente , [99], desarrollado en la Unión Soviética después de la Segunda Guerra Mundial por ingenieros soviéticos y alemanes capturados que trabajaban en detención. [100] 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 se dio cuenta del diseño de la ultracentrífuga y comenzó a cambiar el enriquecimiento de uranio a este proceso mucho más eficiente. A medida que la tecnología de la centrifugadora avanzó, se hizo posible llevar a cabo el enriquecimiento de uranio a una escala más pequeña sin los vastos recursos que eran necesarios para construir y operar las plantas de separación de estilo "K" e "Y" de las décadas de 1940 y 1950, un desarrollo que tuvo el efecto de aumentar las preocupaciones sobre la proliferación nuclear . [101]
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Las cascadas de centrífugas comenzaron a operar en Oak Ridge en 1961. Una instalación de prueba de centrífugas de gas (K-1210) se inauguró en 1975, seguida por una instalación de demostración de planta de centrífugas más grande (K-1220) en 1982. En respuesta a una orden del presidente Lyndon B. Johnson de reducir 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 al 3 a 5 por ciento para su uso en reactores nucleares . En 1984, Martin Marietta Energy reemplazó a Union Carbide como operador. La difusión gaseosa cesó el 27 de agosto de 1985. La planta de difusión gaseosa de Oak Ridge pasó a llamarse Oak Ridge K-25 Site en 1989 y East Tennessee Technology Park en 1996. [98] La producción de uranio enriquecido mediante difusión gaseosa cesó en Portsmouth en 2001 y en Paducah en 2013. [102] En la actualidad, todo el enriquecimiento comercial de uranio en los Estados Unidos se lleva a cabo utilizando tecnología de centrifugadoras de gas. [103]
En 1997, el Departamento de Energía de los Estados Unidos contrató a British Nuclear Fuels Ltd para descontaminar y desmantelar las instalaciones. Su filial Reactor Sites Management Company Limited fue adquirida por EnergySolutions en junio de 2007. Inicialmente, K-29, K-31 y K-33 se iban a conservar para otros usos, pero posteriormente se decidió demolerlas. Bechtel Jacobs , el contratista de gestión ambiental, asumió la responsabilidad de la instalación en julio de 2005. La demolición de K-29 comenzó en enero de 2006 y se completó en agosto. [95] La demolición de K-33 comenzó en enero de 2011 y se completó antes de lo previsto en septiembre. [104] Le siguió la demolición de K-31, que comenzó en octubre de 2014 [105] y se completó en junio de 2015. [106]
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 [107] y finalizó en agosto de 2011. El trabajo de demolición fue realizado por URS | CH2M Hill Oak Ridge. [108] La demolición se completó en marzo de 2014. [109] [110] La demolición de K-27, la última de las cinco instalaciones de difusión gaseosa en Oak Ridge, comenzó en febrero de 2016. [111] El senador estadounidense Lamar Alexander y el congresista estadounidense Chuck Fleischmann se unieron a 1.500 trabajadores para ver caer el muro final el 30 de agosto de 2016. Su demolición se completó en febrero de 2017. [112] Desde 2020, el sitio K-25 se está reconstruyendo en parte para convertirlo en un aeropuerto de aviación general para dar servicio a la ciudad de Oak Ridge. [113] También se planean varias pequeñas instalaciones nucleares privadas en el sitio. [114] [115] [116]
El 27 de febrero de 2020, se inauguró en el lugar el Centro de Historia K-25, un museo de 700 metros cuadrados. El museo es una sucursal del Museo Americano de Ciencia y Energía y cuenta con cientos de artefactos originales y exhibiciones interactivas relacionadas con el sitio K-25. [117] [118] [119]
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