Chicago Pile-1 ( CP-1 ) fue el primer reactor nuclear artificial del mundo . El 2 de diciembre de 1942, se inició en el CP-1 la primera reacción nuclear en cadena autosostenida creada por el hombre durante un experimento dirigido por Enrico Fermi . El desarrollo secreto del reactor fue el primer logro técnico importante del Proyecto Manhattan , el esfuerzo aliado para crear armas nucleares durante la Segunda Guerra Mundial . Desarrollado por el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago , el CP-1 se construyó bajo los miradores occidentales del Stagg Field original . Aunque los líderes civiles y militares del proyecto tenían dudas sobre la posibilidad de una reacción descontrolada desastrosa, confiaron en los cálculos de seguridad de Fermi y decidieron que podían llevar a cabo el experimento en una zona densamente poblada. Fermi describió el reactor como "una tosca pila de ladrillos negros y vigas de madera". [4]
Después de una serie de intentos, el exitoso reactor fue ensamblado en noviembre de 1942 por un equipo de unas 30 personas que, además de Fermi, incluía a los científicos Leo Szilard (que previamente había formulado una idea para la reacción en cadena sin fisión ), Leona Woods , Herbert L. Anderson , Walter Zinn , Martin D. Whitaker y George Weil . El reactor utilizaba uranio natural. Esto requirió una gran cantidad de material para alcanzar la criticidad, junto con el grafito utilizado como moderador de neutrones . El reactor contenía 45.000 bloques de grafito ultrapuro que pesaban 360 toneladas cortas (330 toneladas ) y estaba alimentado por 5,4 toneladas cortas (4,9 toneladas) de uranio metálico y 45 toneladas cortas (41 toneladas) de óxido de uranio . A diferencia de la mayoría de los reactores nucleares posteriores, no tenía protección contra la radiación ni sistema de enfriamiento, ya que funcionaba a muy baja potencia: alrededor de medio vatio.
La búsqueda de un reactor había sido iniciada por la preocupación de que la Alemania nazi tuviera una ventaja científica sustancial. El éxito de Chicago Pile-1 proporcionó la primera demostración vívida de la viabilidad del uso militar de la energía nuclear por parte de los aliados, así como de la realidad del peligro de que la Alemania nazi pudiera lograr producir armas nucleares. Anteriormente, las estimaciones de masas críticas habían sido cálculos burdos, lo que generaba incertidumbres de orden de magnitud sobre el tamaño de una bomba hipotética. El uso exitoso del grafito como moderador allanó el camino para el progreso en el esfuerzo aliado, mientras que el programa alemán languideció en parte debido a la creencia de que habría que utilizar agua pesada , escasa y costosa, para ese propósito. Los alemanes no habían tenido en cuenta la importancia de las impurezas de boro y cadmio en las muestras de grafito en las que realizaron la prueba de su utilidad como moderador, mientras Leo Szilard y Enrico Fermi preguntaban a los proveedores sobre las contaminaciones más comunes del grafito después de una primera prueba fallida. En consecuencia, se aseguraron de que la siguiente prueba se realizaría con grafito totalmente desprovisto de ellos. Al final resultó que, tanto el boro como el cadmio eran fuertes venenos de neutrones .
En 1943, el CP-1 se trasladó al Sitio A , un centro de investigación en tiempos de guerra en las afueras de Chicago, donde se reconfiguró para convertirse en Chicago Pile-2 (CP-2). Allí funcionó con fines de investigación hasta 1954, cuando fue desmantelado y enterrado. Las gradas de Stagg Field fueron demolidas en agosto de 1957; el sitio es ahora un Monumento Histórico Nacional y un Monumento de Chicago .
La idea de una reacción química en cadena fue sugerida por primera vez en 1913 por el químico alemán Max Bodenstein para una situación en la que dos moléculas reaccionan para formar no sólo los productos finales de la reacción, sino también algunas moléculas inestables que pueden reaccionar aún más con las sustancias originales para causar más para reaccionar. [5] El concepto de reacción nuclear en cadena fue formulado por primera vez por el científico húngaro Leo Szilard el 12 de septiembre de 1933. [6] Szilard se dio cuenta de que si una reacción nuclear producía neutrones o dinutrones , que luego causaban más reacciones nucleares, el proceso podría ser autoperpetuándose. Szilard propuso utilizar mezclas de isótopos conocidos más ligeros que producían neutrones en cantidades copiosas, y también consideró la posibilidad de utilizar uranio como combustible. [7] Al año siguiente presentó una patente para su idea de un reactor nuclear simple. [8] El descubrimiento de la fisión nuclear por los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1938, [9] [10] y su explicación teórica (y denominación) por sus colaboradores Lise Meitner y Otto Frisch , [11] [12] abrieron la posibilidad de crear una reacción nuclear en cadena con uranio, pero los experimentos iniciales no tuvieron éxito. [13] [14] [15] [16]
Para que se produjera una reacción en cadena, los átomos de uranio en fisión tenían que emitir neutrones adicionales para mantener la reacción. En la Universidad de Columbia en Nueva York, el físico italiano Enrico Fermi colaboró con los estadounidenses John Dunning , Herbert L. Anderson , Eugene T. Booth , G. Norris Glasoe y Francis G. Slack para realizar el primer experimento de fisión nuclear en Estados Unidos el 25 Enero de 1939. [17] [18] Trabajos posteriores confirmaron que los neutrones rápidos efectivamente se producían por fisión. [19] [20] Szilard obtuvo permiso del jefe del Departamento de Física de Columbia, George B. Pegram , para utilizar un laboratorio durante tres meses, y convenció a Walter Zinn para que se convirtiera en su colaborador. [21] Llevaron a cabo un experimento simple en el séptimo piso de Pupin Hall en Columbia, utilizando una fuente de radio-berilio para bombardear uranio con neutrones. Descubrieron una importante multiplicación de neutrones en el uranio natural, lo que demuestra que podría ser posible una reacción en cadena. [22]
Fermi y Szilard todavía creían que se necesitarían enormes cantidades de uranio para una bomba atómica y, por lo tanto, se concentraron en producir una reacción en cadena controlada. [23] Fermi instó a Alfred OC Nier a separar los isótopos de uranio para determinar el componente fisible y, el 29 de febrero de 1940, Nier separó la primera muestra de uranio-235 , que, después de ser enviada por correo a Dunning en Columbia, se confirmó que era la material fisionable aislado. [24] Cuando trabajaba en Roma, Fermi había descubierto que las colisiones entre neutrones y moderadores de neutrones pueden ralentizar los neutrones y, por lo tanto, hacerlos más propensos a ser capturados por los núcleos de uranio, provocando la fisión del uranio. [25] [26] Szilard sugirió a Fermi que utilizaran carbono en forma de grafito como moderador. Como plan de respaldo, consideró el agua pesada . Este contenía deuterio , que no absorbería neutrones como el hidrógeno ordinario, y era un mejor moderador de neutrones que el carbono; pero el agua pesada era cara y difícil de producir, y podrían necesitarse varias toneladas. [27] Fermi estimó que un núcleo de uranio en fisión producía 1,73 neutrones en promedio. Fue suficiente, pero fue necesario un diseño cuidadoso para minimizar las pérdidas. [28] [29] (Hoy en día se sabe que el número promedio de neutrones emitidos por núcleo de uranio-235 en fisión es de aproximadamente 2,4). [30]
Szilard estimó que necesitaría unas 50 toneladas cortas (45 t) de grafito y 5 toneladas cortas (4,5 t) de uranio. [27] En diciembre de 1940, Fermi y Szilard se reunieron con Herbert G. MacPherson y Victor C. Hamister en National Carbon para discutir la posible existencia de impurezas en el grafito y la obtención de grafito de una pureza que nunca se había producido comercialmente. [31] National Carbon, una empresa química, había tomado la entonces inusual medida de contratar a MacPherson, un físico, para investigar las lámparas de arco de carbono, un uso comercial importante para el grafito en ese momento. Gracias a su trabajo estudiando la espectroscopia del arco de carbono, MacPherson sabía que el principal contaminante relevante era el boro, tanto por su concentración como por su afinidad por absorber neutrones, [31] confirmando una sospecha de Szilard. [32] Más importante aún, MacPherson y Hamister creían que se podrían desarrollar técnicas para producir grafito de una pureza suficiente. Si Fermi y Szilard no hubieran consultado a MacPherson y Hamister, podrían haber llegado a la conclusión, incorrectamente, como hicieron los alemanes, de que el grafito no era adecuado para su uso como moderador de neutrones. [32]
Durante los dos años siguientes, MacPherson, Hamister y Lauchlin M. Currie desarrollaron técnicas de purificación térmica para la producción a gran escala de grafito con bajo contenido de boro. [31] [33] El producto resultante fue denominado grafito AGOT (" Acheson Graphite Ordinary Temperature") por National Carbon. Con una sección transversal de absorción de neutrones de 4,97 mbarn , el grafito AGOT se considera el primer grafito verdadero de grado nuclear . [34] En noviembre de 1942, National Carbon había enviado 255 toneladas cortas (231 t) de grafito AGOT a la Universidad de Chicago, [35] donde se convirtió en la principal fuente de grafito para ser utilizado en la construcción de Chicago Pile-1. [36]
Szilard redactó una carta confidencial al presidente, Franklin D. Roosevelt , advirtiendo sobre un proyecto alemán de armas nucleares , explicando la posibilidad de armas nucleares y alentando el desarrollo de un programa que podría resultar en su creación. Con la ayuda de Eugene Wigner y Edward Teller , se acercó a su viejo amigo y colaborador Albert Einstein en agosto de 1939 y lo convenció para que firmara la carta, prestando su prestigio a la propuesta. [37] La carta de Einstein-Szilard resultó en el establecimiento de una investigación sobre la fisión nuclear por parte del gobierno de Estados Unidos. [38] Se formó un Comité Asesor sobre Uranio bajo la dirección de Lyman J. Briggs , científico y director de la Oficina Nacional de Estándares . A su primera reunión, el 21 de octubre de 1939, asistieron Szilard, Teller y Wigner. Los científicos persuadieron al ejército y la marina para que proporcionaran 6.000 dólares a Szilard para comprar suministros para los experimentos, en particular, más grafito. [39]
En abril de 1941, el Comité de Investigación de Defensa Nacional (NDRC) creó un proyecto especial encabezado por Arthur Compton , profesor de física ganador del Premio Nobel en la Universidad de Chicago , para informar sobre el programa de uranio. El informe de Compton, presentado en mayo de 1941, preveía las perspectivas de desarrollar armas radiológicas , propulsión nuclear para barcos y armas nucleares utilizando uranio-235 o el plutonio recientemente descubierto . [40] En octubre escribió otro informe sobre la viabilidad de una bomba atómica. Para este informe, trabajó con Fermi en cálculos de la masa crítica de uranio-235. También discutió las perspectivas de enriquecimiento de uranio con Harold Urey . [41]
Niels Bohr y John Wheeler habían teorizado que los isótopos pesados con números de masa atómica impares eran fisibles . De ser así, entonces probablemente lo sería el plutonio-239 . [42] En mayo de 1941, Emilio Segrè y Glenn Seaborg produjeron 28 μg de plutonio-239 en el ciclotrón de 60 pulgadas (150 cm) de la Universidad de California , y descubrieron que tenía 1,7 veces la sección transversal de captura de neutrones térmicos del uranio. -235. En aquel momento sólo se habían producido cantidades tan pequeñas de plutonio-239 en ciclotrones, y no era posible producir una cantidad suficientemente grande de esa manera. [43] Compton discutió con Wigner cómo se podría producir plutonio en un reactor nuclear , y con Robert Serber sobre cómo ese plutonio podría separarse del uranio. Su informe, presentado en noviembre, afirmaba que era factible construir una bomba. [41]
El borrador final del informe de Compton de noviembre de 1941 no mencionaba el plutonio, pero después de discutir las últimas investigaciones con Ernest Lawrence , Compton se convenció de que una bomba de plutonio también era factible. En diciembre, Compton fue puesto a cargo del proyecto de plutonio. [44] Sus objetivos eran producir reactores para convertir uranio en plutonio, encontrar formas de separar químicamente el plutonio del uranio y diseñar y construir una bomba atómica. [45] [42] Le correspondió a Compton decidir cuál de los diferentes tipos de diseños de reactores deberían seguir los científicos, a pesar de que aún no se había construido un reactor exitoso. [46] Propuso un calendario para lograr una reacción nuclear en cadena controlada para enero de 1943 y tener una bomba atómica para enero de 1945. [45]
En un reactor nuclear, la criticidad se alcanza cuando la tasa de producción de neutrones es igual a la tasa de pérdidas de neutrones, incluidas tanto la absorción como la fuga de neutrones. Cuando un átomo de uranio-235 sufre fisión, libera un promedio de 2,4 neutrones. [30] En el caso más simple de un reactor esférico , homogéneo y no reflejado, se calculó que el radio crítico era aproximadamente:
, [47]
donde M es la distancia promedio que recorre un neutrón antes de ser absorbido y k es el factor de multiplicación promedio de neutrones . Los neutrones en reacciones sucesivas serán amplificados por un factor k , la segunda generación de eventos de fisión producirá k 2 , la tercera k 3 y así sucesivamente. Para que ocurra una reacción nuclear en cadena autosostenida , k debe ser al menos 3 o 4 por ciento mayor que 1. En otras palabras, k debe ser mayor que 1 sin cruzar el umbral crítico inmediato que daría como resultado una reacción rápida y exponencial . aumento en el número de eventos de fisión. [47] [48]
Fermi bautizó su aparato como "montón". Emilio Segrè recordó más tarde que:
Durante un tiempo pensé que este término se usaba para referirse a una fuente de energía nuclear en analogía con el uso que Volta hacía del término italiano pila para denotar su gran invención de una fuente de energía eléctrica. Me desilusionó el propio Fermi, quien me dijo que simplemente usaba la palabra común en inglés pile como sinónimo de montón . Para mi sorpresa, Fermi nunca pareció haber pensado en la relación entre su montón y el de Volta. [49]
Se obtuvo otra subvención, esta vez de 40.000 dólares, del Comité de Uranio S-1 para comprar más materiales, y en agosto de 1941 Fermi comenzó a planificar la construcción de un conjunto subcrítico para probar con una estructura más pequeña si una más grande funcionaría. . La llamada pila exponencial que propuso construir tenía 2,4 m (8 pies) de largo, 2,4 m (8 pies) de ancho y 3,4 m (11 pies) de alto. [50] Esto era demasiado grande para caber en los Laboratorios de Física Pupin. Fermi recordó que:
Fuimos con Dean Pegram, que entonces era el hombre que podía hacer magia en la Universidad, y le explicamos que necesitábamos una sala grande. Exploraba el campus y lo acompañamos por pasillos oscuros y bajo varias tuberías de calefacción, etc., para visitar posibles sitios para este experimento y, finalmente, se descubrió una gran sala en Schermerhorn Hall . [51]
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La pila se construyó en septiembre de 1941 a partir de bloques de grafito de 4 por 4 por 12 pulgadas (10 por 10 por 30 cm) y latas de hojalata de óxido de uranio. Las latas eran cubos de 8 por 8 por 8 pulgadas (20 por 20 por 20 cm). Cuando estaban llenos de óxido de uranio, cada uno pesaba alrededor de 60 libras (27 kg). Había 288 latas en total, y cada una estaba rodeada por bloques de grafito para que el conjunto formara una estructura reticular cúbica. Cerca del fondo se colocó una fuente de neutrones de radio-berilio . El óxido de uranio se calentó para eliminar la humedad y se metió en latas mientras aún estaba caliente sobre una mesa vibratoria. Luego se soldaron las latas. Como fuerza laboral, Pegram consiguió los servicios del equipo de fútbol de Columbia . En aquella época era costumbre que los jugadores de fútbol realizaran trabajos ocasionales en la universidad. Pudieron manipular las pesadas latas con facilidad. El resultado final fue un decepcionante k de 0,87. [48] [52]
Compton consideró que tener equipos en la Universidad de Columbia, la Universidad de Princeton , la Universidad de Chicago y la Universidad de California estaba creando demasiada duplicación y poca colaboración, y decidió concentrar el trabajo en un solo lugar. Nadie quería mudarse y todos defendieron su propia ubicación. En enero de 1942, poco después de que Estados Unidos entrara en la Segunda Guerra Mundial, Compton decidió su propia ubicación, la Universidad de Chicago, donde sabía que contaba con el apoyo incondicional de la administración universitaria. [53] Chicago también tenía una ubicación central, y los científicos, técnicos e instalaciones estaban más fácilmente disponibles en el Medio Oeste , donde el trabajo de guerra aún no se los había llevado. [53] Por el contrario, la Universidad de Columbia estaba involucrada en esfuerzos de enriquecimiento de uranio bajo Harold Urey y John Dunning, y dudaba en agregar un tercer proyecto secreto. [54]
Antes de partir hacia Chicago, el equipo de Fermi hizo un último intento de construir una pila de trabajo en Columbia. Como las latas habían absorbido neutrones, se prescindió de ellas. En cambio, el óxido de uranio, calentado a 250 °C (480 °F) para secarlo, se presionó en agujeros cilíndricos de 3 pulgadas (7,6 cm) de largo y 3 pulgadas (7,6 cm) de diámetro perforados en el grafito. Luego se enlató toda la pila soldando láminas de metal a su alrededor y el contenido se calentó por encima del punto de ebullición del agua para eliminar la humedad. El resultado fue una k de 0,918. [55]
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En Chicago, Samuel K. Allison había encontrado un lugar adecuado de 18 m (60 pies) de largo, 9,1 m (30 pies) de ancho y 7,9 m (26 pies) de alto, ligeramente hundido por debajo del nivel del suelo, en un espacio debajo de las gradas en Stagg. Campo construido originalmente como cancha de raquetas . [56] [57] Stagg Field había estado en gran parte sin uso desde que la Universidad de Chicago dejó de jugar fútbol americano en 1939, [47] [58] pero las canchas de raquetas debajo de West Stands todavía se usaban para jugar squash y balonmano . Leona Woods y Anthony L. Turkevich jugaron al squash allí en 1940. Como estaba destinado al ejercicio extenuante, el área no tenía calefacción y era muy fría en invierno. Las cercanas gradas norte tenían un par de pistas de patinaje sobre hielo en la planta baja que, aunque no estaban refrigeradas, rara vez se derretían en invierno. [59] Allison utilizó el área de la cancha de raquetas para construir una pila experimental de 7 pies (2,1 m) antes de que llegara el grupo de Fermi en 1942. [56]
El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos asumió el control del programa de armas nucleares en junio de 1942, y el Laboratorio Metalúrgico de Compton pasó a formar parte de lo que llegó a denominarse Proyecto Manhattan . [60] El general de brigada Leslie R. Groves, Jr. se convirtió en director del Proyecto Manhattan el 23 de septiembre de 1942. [61] Visitó el Laboratorio Metalúrgico por primera vez el 5 de octubre. [62] Entre el 15 de septiembre y el 15 de noviembre de 1942, grupos dirigidos por Herbert Anderson y Walter Zinn construyeron 16 pilotes experimentales debajo de las gradas de Stagg Field. [63]
Fermi diseñó una nueva pila, que sería esférica para maximizar k , que se predijo que sería alrededor de 1,04, logrando así la criticidad. [64] Leona Woods recibió el encargo de construir detectores de neutrones de trifluoruro de boro tan pronto como completó su tesis doctoral. También ayudó a Anderson a localizar la gran cantidad necesaria de vigas de 10 por 15 cm (4 por 6 pulgadas) en depósitos de madera en el lado sur de Chicago . [65] Llegaron envíos de grafito de alta pureza , principalmente de National Carbon, y dióxido de uranio de alta pureza de Mallinckrodt en St Louis, que ahora producía 30 toneladas cortas (27 t) al mes. [66] El uranio metálico también comenzó a llegar en mayores cantidades, producto de técnicas recientemente desarrolladas. [67]
El 25 de junio, el Ejército y la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD) habían seleccionado un sitio en el bosque de Argonne, cerca de Chicago, para una planta piloto de plutonio; esto se conoció como " Sitio A ". En agosto se alquilaron 1.025 acres (415 ha) al condado de Cook , [68] [69] pero en septiembre era evidente que las instalaciones propuestas serían demasiado extensas para el sitio y se decidió construir la planta piloto en otro lugar. [70] Las pilas subcríticas representaban poco peligro, pero Groves consideró que sería prudente ubicar una pila crítica (un reactor nuclear completamente funcional) en un sitio más remoto. Se inició la construcción en Argonne para albergar la pila experimental de Fermi, cuya finalización está prevista para el 20 de octubre. Debido a conflictos industriales, la construcción se retrasó y quedó claro que los materiales para la nueva pila de Fermi estarían disponibles antes de que se completara la nueva estructura. A principios de noviembre, Fermi llegó a Compton con una propuesta para construir el pilote experimental debajo de las gradas de Stagg Field. [71]
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El riesgo de construir un reactor operativo funcionando en estado crítico en una zona poblada era un problema importante, ya que existía el peligro de una fusión nuclear catastrófica que cubriera una de las principales zonas urbanas de los Estados Unidos con productos de fisión radiactiva. Pero la física del sistema sugería que la pila podría cerrarse de forma segura incluso en el caso de una reacción descontrolada . Cuando un átomo de combustible sufre fisión, libera neutrones que chocan con otros átomos de combustible en una reacción en cadena. [71] El tiempo entre la absorción del neutrón y la fisión se mide en nanosegundos. Szilard había observado que esta reacción deja productos de fisión que también pueden liberar neutrones, pero lo hacen durante períodos mucho más largos, desde microsegundos hasta minutos. En una reacción lenta como la que ocurre en una pila donde se acumulan los productos de fisión, estos neutrones representan aproximadamente el tres por ciento del flujo total de neutrones . [71] [72] [73]
Fermi argumentó que al usar neutrones retardados y controlar cuidadosamente las velocidades de reacción a medida que aumenta la potencia, una pila puede alcanzar la criticidad a velocidades de fisión ligeramente inferiores a las de una reacción en cadena que depende únicamente de los neutrones rápidos de las reacciones de fisión. Dado que la tasa de liberación de estos neutrones depende de eventos de fisión que ocurren algún tiempo antes, hay un retraso entre cualquier pico de energía y el evento de criticidad posterior. Este tiempo da margen de maniobra a los operadores; si se ve un pico en el flujo de neutrones rápido, tienen varios minutos antes de que esto provoque una reacción descontrolada. Si se inyecta un absorbente de neutrones, o veneno de neutrones , en cualquier momento durante este período, el reactor se apagará. En consecuencia, la reacción se puede controlar con sistemas de control electromecánicos como barras de control . Compton consideró que este retraso era suficiente para proporcionar un margen crítico de seguridad, [71] [72] y permitió a Fermi construir Chicago Pile-1 en Stagg Field. [74] [72]
Compton explicó más tarde que:
Como funcionario responsable de la Universidad de Chicago, de acuerdo con todas las reglas del protocolo organizacional, debería haber llevado el asunto a mi superior. Pero esto habría sido injusto. El presidente Hutchins no estaba en condiciones de emitir un juicio independiente sobre los peligros involucrados. Basado en consideraciones sobre el bienestar de la Universidad, la única respuesta que podría haber dado habría sido: no. Y esta respuesta habría sido incorrecta. [74]
Compton informó a Groves de su decisión en la reunión del 14 de noviembre del Comité Ejecutivo de S-1. [72] Aunque Groves "tenía serias dudas sobre la sabiduría de la sugerencia de Compton", no interfirió. [75] Se informó que James B. Conant , el presidente de la NDRC, se había vuelto blanco. Pero debido a la urgencia y a la confianza en los cálculos de Fermi, nadie se opuso. [76]
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Chicago Pile-1 se encerró dentro de un globo para que el aire del interior pudiera ser reemplazado por dióxido de carbono . Anderson tenía un globo gris oscuro fabricado por Goodyear Tire and Rubber Company . Un globo en forma de cubo de 25 pies (7,6 m) era algo inusual, pero la calificación de prioridad AAA del Proyecto Manhattan aseguró una entrega rápida y sin preguntas. [63] [77] Se utilizó un bloque y un aparejo para colocarlo en su lugar, con la parte superior asegurada al techo y tres lados a las paredes. El otro lado, el que daba al balcón desde donde Fermi dirigía la operación, estaba enrollado como un toldo. Se dibujó un círculo en el suelo y el apilamiento de bloques de grafito comenzó en la mañana del 16 de noviembre de 1942. [78] La primera capa colocada estaba compuesta íntegramente de bloques de grafito, sin uranio. Se alternaron capas sin uranio con dos capas que contenían uranio, por lo que el uranio estaba encerrado en grafito. [78] A diferencia de los reactores posteriores, no tenía protección contra la radiación ni sistema de enfriamiento, ya que solo estaba destinado a funcionar a muy baja potencia. [79]
El trabajo se llevó a cabo en turnos de doce horas, con un turno diurno a cargo de Zinn y un turno de noche a cargo de Anderson. [80] Como fuerza laboral contrataron a treinta desertores de la escuela secundaria que estaban ansiosos por ganar un poco de dinero antes de ser reclutados en el ejército. [81] Mecanizaron 45.000 bloques de grafito que contenían 19.000 piezas de uranio metálico y óxido de uranio. [82] El grafito llegó de los fabricantes en barras de 4,25 por 4,25 pulgadas (10,8 por 10,8 cm) de varias longitudes. Se cortaron en longitudes estándar de 42 cm (16,5 pulgadas) y cada una pesaba 8,6 kg (19 libras). Se utilizó un torno para perforar agujeros de 8,3 cm (3,25 pulgadas) en los bloques para las barras de control y el uranio. Se utilizó una prensa hidráulica para darle forma al óxido de uranio en "pseudoesferas", cilindros con extremos redondeados. Las brocas debían afilarse cada 60 agujeros, lo que suponía aproximadamente una vez por hora. [78] El polvo de grafito pronto llenó el aire e hizo que el suelo estuviera resbaladizo. [74]
Otro grupo, dirigido por Volney C. Wilson, fue responsable de la instrumentación. [80] También fabricaron las barras de control , que eran láminas de cadmio clavadas a tiras planas de madera, siendo el cadmio un potente absorbente de neutrones, y la línea de separación , una cuerda de manila que, cuando se cortaba, dejaba caer una barra de control en la pila y detenía la reacción. . [81] Richard Fox, quien hizo el mecanismo de varilla de control para la pila, comentó que el control manual de velocidad que el operador tenía sobre las varillas era simplemente una resistencia variable , que controlaba un motor eléctrico que enrollaría el cable del tendedero sobre una polea que También tenía dos pesos de plomo adjuntos para garantizar que fuera a prueba de fallas y volviera a su posición cero cuando se soltara. [83]
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Por turno se colocaron unas dos capas. [78] El contador de neutrones de trifluoruro de boro de Woods se insertó en la decimoquinta capa. Posteriormente, se tomaron lecturas al final de cada turno. [84] Fermi dividió el cuadrado del radio del pilote por la intensidad de la radiactividad para obtener una métrica que contaba hasta uno a medida que el pilote se acercaba a la criticidad. En la capa 15, era 390; el día 19 era 320; el día 25 era 270 y el día 36 era solo 149. El diseño original era para una pila esférica, pero a medida que avanzaba el trabajo, quedó claro que esto no sería necesario. El nuevo grafito era más puro, y 6 toneladas cortas (5,4 t) de uranio metálico muy puro comenzaron a llegar desde el Proyecto Ames de la Universidad Estatal de Iowa , [85] donde Harley Wilhelm y su equipo habían desarrollado un nuevo proceso para producir uranio metálico. Westinghouse Lamp Plant suministró 3 toneladas cortas (2,7 t), que produjo rápidamente con un proceso improvisado. [86] [87]
Los cilindros metálicos de uranio de 2,25 pulgadas (5,7 cm), conocidos como "huevos de Spedding", se dejaron caer en los agujeros del grafito en lugar de las pseudoesferas de óxido de uranio. El proceso de llenar el globo con dióxido de carbono no sería necesario, y se podría prescindir de veinte capas. Según los nuevos cálculos de Fermi, la cuenta atrás llegaría a 1 entre las capas 56 y 57. Por tanto, el pelo resultante era más plano en la parte superior que en la inferior. [78] Anderson hizo un alto después de que se colocó la capa 57. [88] Cuando se completó, el marco de madera sostenía una estructura de forma elíptica, de 20 pies (6,1 m) de alto, 6 pies (1,8 m) de ancho en los extremos y 25 pies (7,6 m) en el medio. [81] [89] Contenía 6 toneladas cortas (5,4 t) de uranio metálico, 50 toneladas cortas (45 t) de óxido de uranio y 400 toneladas cortas (360 t) de grafito, a un costo estimado de 2,7 millones de dólares. [90]
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Al día siguiente, 2 de diciembre de 1942, todos se reunieron para el experimento. Había 49 científicos presentes. [a] Aunque la mayor parte del Comité Ejecutivo de S-1 estaba en Chicago, sólo Crawford Greenewalt estuvo presente, por invitación de Compton. [92] Otros dignatarios presentes incluyeron a Szilard, Wigner y Spedding. [91] Fermi, Compton, Anderson y Zinn se reunieron alrededor de los controles en el balcón, que originalmente estaba pensado como una plataforma de observación. [93] Samuel Allison estaba listo con un cubo de nitrato de cadmio concentrado , que debía arrojar sobre la pila en caso de una emergencia. La puesta en marcha comenzó a las 09:54. Walter Zinn quitó la cremallera y el mando de emergencia y lo aseguró. [93] [94] Norman Hilberry estaba listo con un hacha para cortar la línea de escape, lo que permitiría que la cremallera cayera bajo la influencia de la gravedad. [94] [95] Mientras Leona Woods gritaba el recuento del detector de trifluoruro de boro en voz alta, George Weil , el único en el suelo, retiró todas las barras de control menos una. A las 10:37, Fermi ordenó a Weil que retirara toda la última barra de control, excepto 13 pies (4,0 m). Weil lo retiró 15 cm (6 pulgadas) a la vez, tomando medidas en cada paso. [93] [94]
El proceso se detuvo abruptamente cuando la varilla de control automático se reinsertó, debido a que su nivel de disparo estaba demasiado bajo. [96] A las 11:25, Fermi ordenó que se reinsertaran las barras de control. Luego anunció que era la hora del almuerzo. [93]
El experimento se reanudó a las 14:00 horas. [93] Weil trabajó en la barra de control final mientras Fermi monitoreaba cuidadosamente la actividad de neutrones. Fermi anunció que la pila se había vuelto crítica (alcanzó una reacción autosostenida) a las 15:25. Fermi cambió la escala de la grabadora para acomodar la corriente eléctrica que aumentaba rápidamente desde el detector de trifluoruro de boro. Quería probar los circuitos de control, pero después de 28 minutos, sonaron las alarmas para notificar a todos que el flujo de neutrones había superado el nivel de seguridad preestablecido y ordenó a Zinn que soltara la cremallera. La reacción se detuvo rápidamente. [97] [94] La pila había funcionado durante aproximadamente 4,5 minutos a aproximadamente 0,5 vatios. [98] Wigner abrió una botella de Chianti , que bebieron en vasos de papel. [99]
Compton notificó a Conant por teléfono. La conversación transcurrió en un código improvisado:
Compton: El navegante italiano ha aterrizado en el Nuevo Mundo.
Conant: ¿Cómo estaban los nativos?Compton: Muy amigable. [100]
El 12 de diciembre de 1942, la potencia del CP-1 se incrementó a 200 W, suficiente para alimentar una bombilla. Al carecer de protección de cualquier tipo, representaba un peligro de radiación para todos los que se encontraban en los alrededores, y se continuaron las pruebas a 0,5 W. [101] La operación finalizó el 28 de febrero de 1943, [102] y la pila fue desmantelada y trasladada al Sitio A. en el bosque de Argonne, ahora conocido como Red Gate Woods . [103] [104] Allí se utilizaron los materiales originales para construir Chicago Pile-2 (CP-2). En lugar de ser esférico, el nuevo reactor se construyó en forma de cubo, de unos 25 pies (7,6 m) de altura con una base de aproximadamente 30 pies (9,1 m) cuadrados. Estaba rodeado por muros de hormigón de 1,5 m (5 pies) de espesor que actuaban como protección contra la radiación , con una protección superior de 15 cm (6 pulgadas) de plomo y 130 cm (50 pulgadas) de madera. Se utilizó más uranio, por lo que contenía 52 toneladas cortas (47 t) de uranio y 472 toneladas cortas (428 t) de grafito. No se proporcionó ningún sistema de refrigeración ya que sólo funcionaba con unos pocos kilovatios. CP-2 entró en funcionamiento en marzo de 1943, con un k de 1,055. [105] [106] [107] Durante la guerra, Walter Zinn permitió que el CP-2 funcionara las 24 horas del día y su diseño era adecuado para realizar experimentos. [108] Al CP-2 se unió el Chicago Pile-3 , el primer reactor de agua pesada, que entró en estado crítico el 15 de mayo de 1944. [106] [107]
Los reactores se utilizaron para realizar investigaciones relacionadas con armas, como investigaciones sobre las propiedades del tritio . Los experimentos en tiempos de guerra incluyeron medir la sección transversal de absorción de neutrones de elementos y compuestos. Albert Wattenberg recordó que cada mes se estudiaban unos 10 elementos y 75 a lo largo de un año. [109] Un accidente que involucró polvo de radio y berilio provocó una caída peligrosa en su recuento de glóbulos blancos que duró tres años. A medida que los peligros de cosas como la inhalación de óxido de uranio se hicieron más evidentes, se llevaron a cabo experimentos sobre los efectos de las sustancias radiactivas en animales de laboratorio. [69]
Aunque el diseño se mantuvo en secreto durante una década, Szilard y Fermi lo patentaron conjuntamente, con una fecha de presentación inicial del 19 de diciembre de 1944 como reactor neutrónico no. 2.708.656. [110] [111] [112]
Red Gate Woods se convirtió más tarde en el sitio original del Laboratorio Nacional Argonne , que reemplazó al Laboratorio Metalúrgico el 1 de julio de 1946, con Zinn como su primer director. [113] CP-2 y CP-3 operaron durante diez años antes de que dejaran de ser útiles, y Zinn ordenó su cierre el 15 de mayo de 1954. [69] El combustible utilizable restante se transfirió a Chicago Pile-5 en el Laboratorio Nacional Argonne. nuevo sitio en el condado de DuPage , y los reactores CP-2 y CP-3 fueron desmantelados en 1955 y 1956. Algunos de los bloques de grafito de CP-1/CP-2 se reutilizaron en el reflector del reactor TREAT . Los desechos nucleares de alta actividad, como combustible y agua pesada, se enviaron a Oak Ridge, Tennessee , para su eliminación. El resto fue revestido de concreto y enterrado en una zanja de 12 m (40 pies) de profundidad en lo que ahora se conoce como el Sitio de Eliminación del Sitio A/Plot M. Está marcado por una roca conmemorativa. [69]
En la década de 1970, hubo una mayor preocupación pública por los niveles de radiactividad en el sitio, que los residentes locales utilizaban para recreación. Los estudios realizados en la década de 1980 encontraron estroncio-90 en el suelo de la Parcela M, trazas de tritio en pozos cercanos y plutonio, tecnecio, cesio y uranio en el área. En 1994, el Departamento de Energía de los Estados Unidos y el Laboratorio Nacional Argonne cedieron a la presión pública y asignaron 24,7 millones y 3,4 millones de dólares, respectivamente, para rehabilitar el sitio. Como parte de la limpieza, se retiraron 500 yardas cúbicas (380 m 3 ) de desechos radiactivos y se enviaron al sitio de Hanford para su eliminación. En 2002, el Departamento de Salud Pública de Illinois había determinado que los materiales restantes no representaban ningún peligro para la salud pública. [69]
La exitosa prueba del CP-1 no sólo demostró que un reactor nuclear era factible, sino que también demostró que el factor k era mayor de lo que se pensaba originalmente. Esto eliminó las objeciones al uso de aire o agua como refrigerante en lugar del costoso helio. También significó que había una mayor libertad en la elección de materiales para las tuberías de refrigerante y los mecanismos de control. Wigner siguió adelante con su diseño de un reactor de producción refrigerado por agua. Persistían preocupaciones sobre la capacidad de un reactor moderado por grafito para producir plutonio a escala industrial, y por esta razón el Proyecto Manhattan continuó el desarrollo de instalaciones de producción de agua pesada . [114] Se construyó un reactor refrigerado por aire, el reactor de grafito X-10 , en Clinton Engineer Works en Oak Ridge como parte de una semifábrica de plutonio, [115] seguido de reactores de producción más grandes refrigerados por agua en el sitio de Hanford en Washington. estado . [116] Se produjo suficiente plutonio para una bomba atómica en julio de 1945, y para dos más en agosto. [117]
Se descubrió una placa conmemorativa en Stagg Field el 2 de diciembre de 1952, con motivo del décimo aniversario del momento crítico del CP-1. [118] Decía lo siguiente:
El 2 de diciembre de 1942 el hombre logró aquí la primera reacción en cadena autosostenida y con ello inició la liberación controlada de energía nuclear. [119]
La placa se salvó cuando se demolieron las tribunas oeste en agosto de 1957. [120] El sitio de CP-1 fue designado Monumento Histórico Nacional el 18 de febrero de 1965. [2] Cuando se creó el Registro Nacional de Lugares Históricos en 1966, inmediatamente se agregó a eso también. [1] El sitio también fue nombrado Monumento de Chicago el 27 de octubre de 1971. [3]
Hoy en día, el sitio del antiguo Stagg Field está ocupado por la Biblioteca Regenstein de la universidad , que se inauguró en 1970, y la Biblioteca Joe y Rika Mansueto , que se inauguró en 2011. [121] Una escultura de Henry Moore , Energía nuclear , se encuentra en un Pequeño cuadrilátero fuera de la Biblioteca Regenstein en el antiguo emplazamiento de la cancha de raquetas del mirador oeste. [2] Se dedicó el 2 de diciembre de 1967 para conmemorar el 25º aniversario del momento crítico del CP-1. Cerca se encuentran las placas conmemorativas de 1952, 1965 y 1967. [119] Un bloque de grafito de CP-1 se puede ver en el Museo de Ciencias de Bradbury en Los Alamos, Nuevo México ; otro está en exhibición en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago. [122] El 2 de diciembre de 2017, el 75.º aniversario, el Instituto de Tecnología de Massachusetts , al restaurar una pila de grafito de investigación, similar en diseño a la Pila-1 de Chicago, insertó ceremonialmente las últimas balas de uranio. [123]
