Un calutrón es un espectrómetro de masas originalmente diseñado y utilizado para separar los isótopos de uranio . Fue desarrollado por Ernest Lawrence durante el Proyecto Manhattan y se basó en su invento anterior, el ciclotrón . Su nombre deriva del Ciclotrón de la Universidad de California, en homenaje a la institución de Lawrence, la Universidad de California , donde fue inventado. Los calutrones se utilizaron en la planta de enriquecimiento de uranio Y-12 a escala industrial en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee . El uranio enriquecido producido se utilizó en la bomba atómica Little Boy que fue detonada sobre Hiroshima el 6 de agosto de 1945.
El calutrón es un tipo de espectrómetro de masas sectorial , un instrumento en el que una muestra se ioniza y luego se acelera mediante campos eléctricos y se desvía mediante campos magnéticos . Los iones finalmente chocan con una placa y producen una corriente eléctrica mensurable . Dado que los iones de los diferentes isótopos tienen la misma carga eléctrica pero diferentes masas, los isótopos más pesados se desvían menos por el campo magnético, lo que hace que el haz de partículas se separe en varios haces por masa, golpeando la placa en diferentes lugares. La masa de los iones se puede calcular según la intensidad del campo y la carga de los iones. Durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron calutrones para utilizar este principio y obtener cantidades sustanciales de uranio-235 de alta pureza, aprovechando la pequeña diferencia de masa entre los isótopos de uranio.
La separación electromagnética para el enriquecimiento de uranio se abandonó en el período de posguerra en favor del método de difusión gaseosa , más complicado pero más eficiente . Aunque la mayoría de los calutrones del Proyecto Manhattan fueron desmantelados al final de la guerra, algunos siguieron utilizándose para producir muestras enriquecidas isotópicamente de elementos naturales con fines militares, científicos y médicos.
La noticia del descubrimiento de la fisión nuclear por los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1938, y su explicación teórica por Lise Meitner y Otto Frisch , fue llevada a Estados Unidos por Niels Bohr . [1] Basándose en su modelo de gota de líquido del núcleo, teorizó que era el isótopo de uranio-235 y no el más abundante uranio-238 el principal responsable de la fisión con neutrones térmicos . [2] Para verificar esto, Alfred OC Nier en la Universidad de Minnesota utilizó un espectrómetro de masas para crear una cantidad microscópica de uranio-235 enriquecido en abril de 1940. John R. Dunning , Aristid von Grosse y Eugene T. Booth pudieron entonces confirmar que Bohr tenía razón. [3] [4] Leo Szilard y Walter Zinn pronto confirmaron que se liberaba más de un neutrón por fisión, lo que hacía casi seguro que se podía iniciar una reacción nuclear en cadena y, por lo tanto, que el desarrollo de una bomba atómica era una posibilidad teórica. . [5] Había temores de que un proyecto alemán de bomba atómica desarrollara uno primero, especialmente entre los científicos que eran refugiados de la Alemania nazi y otros países fascistas . [6]
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. . [7] Su memorando Frisch-Peierls de marzo de 1940 indicaba que la masa crítica de uranio-235 estaba dentro del orden de magnitud de 10 kg, que era lo suficientemente pequeña como para ser transportada por un bombardero de la época. [8] El Comité Maud británico recomendó entonces unánimemente continuar con el desarrollo de una bomba atómica. [9] Gran Bretaña había ofrecido dar a Estados Unidos acceso a su investigación científica, [10] por lo que John Cockcroft de la Misión Tizard informó a los científicos estadounidenses sobre los desarrollos británicos. Descubrió que el proyecto estadounidense era más pequeño que el británico y no estaba tan avanzado. [11]
Oliphant, decepcionado, voló a los Estados Unidos para hablar con los científicos estadounidenses. Entre ellos se encontraba Ernest Lawrence del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley . [12] Los dos hombres se habían conocido antes de la guerra y eran amigos. [13] Lawrence quedó lo suficientemente impresionado como para comenzar su propia investigación sobre el uranio. [12] El uranio-235 constituye sólo alrededor del 0,72% del uranio natural, [14] por lo que el factor de separación de cualquier proceso de enriquecimiento de uranio debe ser superior a 1250 para producir 90% de uranio-235 a partir de uranio natural. [15] El Comité Maud había recomendado que esto se hiciera mediante un proceso de difusión gaseosa , [8] pero Oliphant había sido pionero en otra técnica en 1934: la separación electromagnética. [16] Este era el proceso que Nier había utilizado. [12]
El principio de la separación electromagnética es que los iones cargados son desviados por un campo magnético y los más ligeros se desvían más que los pesados. La razón por la que el Comité Maud, y más tarde su homólogo estadounidense, la Sección S-1 de la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD), habían pasado por alto el método electromagnético fue que, si bien el espectrómetro de masas era capaz de separar isótopos, producía muy pocos isótopos. bajos rendimientos. [17] La razón de esto fue la llamada limitación de la carga espacial . Los iones positivos tienen carga positiva, por lo que tienden a repelerse entre sí, lo que provoca que el haz se disperse. Basándose en su experiencia con el control preciso de haces de partículas cargadas gracias a su trabajo con su invento, el ciclotrón , Lawrence sospechaba que las moléculas de aire en la cámara de vacío neutralizarían los iones y crearían un haz enfocado. Oliphant inspiró a Lawrence a convertir su viejo ciclotrón de 37 pulgadas (94 cm) en un espectrómetro de masas gigante para la separación de isótopos . [12]
El ciclotrón de 37 pulgadas de Berkeley fue desmantelado el 24 de noviembre de 1941 y su imán se utilizó para crear el primer calutrón. [18] Su nombre proviene de la Universidad de California y del ciclotrón . [19] El trabajo fue financiado inicialmente por el Laboratorio de Radiación con sus propios recursos, con una subvención de 5.000 dólares de la Research Corporation . En diciembre, Lawrence recibió una subvención de 400.000 dólares del Comité de Uranio S-1. [20] El calutrón consistía en una fuente de iones, en forma de una caja con una hendidura y filamentos calientes en su interior. El filamento ionizó el tetracloruro de uranio y luego lo pasó a través de una ranura de 0,04 por 2 pulgadas (1,0 por 50,8 mm) hacia una cámara de vacío. Luego se utilizó el imán para desviar el haz de iones 180°. Las vigas enriquecidas y agotadas iban a parar a colectores. [21] [22]
Cuando el calutrón se puso en funcionamiento por primera vez el 2 de diciembre de 1941, pocos días antes de que el ataque japonés a Pearl Harbor llevara a los Estados Unidos a la Segunda Guerra Mundial , el colector recibió una intensidad del haz de uranio de 5 microamperios (μA). Se confirmó la intuición de Lawrence sobre el efecto de las moléculas de aire en la cámara de vacío. Un recorrido de nueve horas el 14 de enero de 1942 con un haz de 50 μA produjo 18 microgramos (μg) de uranio enriquecido al 25% de uranio-235, aproximadamente diez veces más de lo que Nier había producido. En febrero, las mejoras en la técnica le permitieron generar un haz de 1.400 μA. Ese mes, se enviaron muestras de 75 μg enriquecidas al 30% a los británicos y al Laboratorio Metalúrgico de Chicago. [22]
Otros investigadores también investigaron la separación de isótopos electromagnéticos. En la Universidad de Princeton , un grupo liderado por Henry D. Smyth y Robert R. Wilson desarrolló un dispositivo conocido como isotrón. Utilizando un klistrón , pudieron separar isótopos utilizando electricidad de alto voltaje en lugar de magnetismo. [23] El trabajo continuó hasta febrero de 1943, cuando, en vista del mayor éxito del calutron, se interrumpió el trabajo y el equipo fue transferido a otras tareas. [18] En la Universidad de Cornell, un grupo dirigido por Lloyd P. Smith que incluía a William E. Parkins y A. Theodore Forrester ideó un separador magnético radial. Se sorprendieron de que sus haces fueran más precisos de lo esperado y, al igual que Lawrence, dedujeron que era el resultado de la estabilización del haz por el aire en la cámara de vacío. En febrero de 1942, su equipo se consolidó con el de Lawrence en Berkeley. [24] [25]
Si bien se había demostrado que el proceso funciona, aún era necesario un esfuerzo considerable antes de poder probar un prototipo en el campo. Lawrence reunió un equipo de físicos para abordar los problemas, incluidos David Bohm , [26] Edward Condon , Donald Cooksey , [27] A. Theodore Forrester, [28] Irving Langmuir , Kenneth Ross MacKenzie , Frank Oppenheimer , J. Robert Oppenheimer , William E. Parkins, Bernard Peters y Joseph Slepian . [27] En noviembre de 1943 se les unió una misión británica encabezada por Oliphant que incluía a sus colegas físicos australianos Harrie Massey y Eric Burhop , y físicos británicos como Joan Curran y Thomas Allibone . [29] [30]
Lawrence tenía un gran ciclotrón en construcción en Berkeley, uno con un imán de 470 cm (184 pulgadas). [31] Este se convirtió en un calutrón que se encendió por primera vez el 26 de mayo de 1942. [32] Al igual que la versión de 37 pulgadas, parecía una C gigante vista desde arriba. El operador se sentaba en el extremo abierto, desde donde se podía regular la temperatura, ajustar la posición de los electrodos e incluso reemplazar los componentes a través de una esclusa de aire mientras estaba en funcionamiento. El nuevo calutrón, más potente, no se utilizó para producir uranio enriquecido, sino para experimentos con múltiples fuentes de iones. Esto significó tener más recolectores, pero multiplicó el rendimiento. [33] [34]
El problema era que los haces interferían entre sí, produciendo una serie de oscilaciones llamadas hash. En septiembre de 1942 se ideó una disposición que minimizaba la interferencia, lo que dio como resultado la producción de haces razonablemente buenos. Robert Oppenheimer y Stan Frankel inventaron la cuña magnética , un dispositivo utilizado para ajustar la homogeneidad de un campo magnético. [35] Eran láminas de hierro de aproximadamente 3 pies (1 m) de ancho que estaban atornilladas a la parte superior e inferior del tanque de vacío. El efecto de las cuñas fue aumentar ligeramente el campo magnético de tal manera que ayudara a enfocar el haz de iones. El trabajo en las calzas continuaría hasta 1943. [33] [34] Las principales patentes de Calutron fueron Métodos y aparatos para separar materiales (Lawrence), [36] Calzas magnéticas (Oppenheimer y Frankel), [35] y el sistema Calutron (Lawrence). ). [37]
Burhop y Bohm estudiaron posteriormente las características de las descargas eléctricas en campos magnéticos, hoy conocida como difusión de Bohm . Sus artículos sobre las propiedades de los plasmas bajo contención magnética encontrarían uso en el mundo de la posguerra en la investigación de la fusión nuclear controlada . [38] Otros problemas técnicos eran más mundanos pero no menos importantes. Aunque los rayos tenían baja intensidad, aún podían, tras muchas horas de funcionamiento, derretir los colectores. Por lo tanto, se añadió un sistema de refrigeración por agua a los colectores y al revestimiento del tanque. Se desarrollaron procedimientos para limpiar la "suciedad" que se condensaba dentro del tanque de vacío. Un problema particular fue el bloqueo de las rendijas por "basura", lo que provocó que los rayos de iones perdieran el foco o se detuvieran por completo. [39]
Los químicos tuvieron que encontrar una manera de producir cantidades de tetracloruro de uranio ( UCl
4) a partir de óxido de uranio . [40] (Nier había usado bromuro de uranio). [41] Inicialmente, lo produjeron usando hidrógeno para reducir el trióxido de uranio ( UO
3) a dióxido de uranio ( UO
2), que luego se hizo reaccionar con tetracloruro de carbono ( CCl
4) para producir tetracloruro de uranio. Charles A. Kraus propuso un método mejor para la producción a gran escala que implicaba hacer reaccionar el óxido de uranio con tetracloruro de carbono a alta temperatura y presión. Esto produjo pentacloruro de uranio ( UCl
5) y fosgeno ( COCl
2). Si bien no es tan desagradable como el hexafluoruro de uranio utilizado en el proceso de difusión gaseosa, el tetracloruro de uranio es higroscópico , por lo que el trabajo con él tuvo que realizarse en cajas de guantes que se mantuvieron secas con pentóxido de fósforo ( P
4oh
10). La presencia de fosgeno, un gas letal responsable de 85.000 muertes como arma química durante la Primera Guerra Mundial , requirió que los químicos usaran máscaras antigás al manipularlo. [40]
De los 19,6 millones de dólares gastados en investigación y desarrollo del proceso electromagnético, 18 millones de dólares (92 por ciento) se gastaron en el Laboratorio de Radiación de Berkeley, y se realizaron trabajos adicionales en la Universidad de Brown , la Universidad Johns Hopkins y la Universidad Purdue , y por la corporación Tennessee Eastman. . [42] Durante 1943, el énfasis pasó de la investigación al desarrollo, la ingeniería y la capacitación de trabajadores para operar las instalaciones de producción en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee . A mediados de 1944, había casi 1.200 personas trabajando en el Laboratorio de Radiación. [43]
Gran parte de los grandes avances en el proceso electromagnético se pueden atribuir al estilo de liderazgo de Lawrence. Su audacia, optimismo y entusiasmo eran contagiosos. Su personal trabajó muchas horas y los administradores de la Universidad de California eliminaron la burocracia a pesar de no saber de qué se trataba el proyecto. Los funcionarios del gobierno comenzaron a ver el desarrollo de bombas atómicas a tiempo para afectar el resultado de la guerra como una posibilidad genuina. Vannevar Bush , director de la OSRD, que supervisaba el proyecto, visitó Berkeley en febrero de 1942 y encontró la atmósfera allí "estimulante" y "refrescante". [44] El 9 de marzo de 1942, informó al presidente, Franklin D. Roosevelt , que podría ser posible producir suficiente material para una bomba a mediados de 1943, basándose en nuevas estimaciones de Robert Oppenheimer de que la masa crítica de una esfera de uranio-235 puro estaba entre 2,0 y 2,5 kilogramos. [45] [46]
Los experimentos con el imán de 184 pulgadas llevaron a la construcción de un prototipo de calutrón llamado XA. Contenía un imán rectangular de tres bobinas con un campo horizontal en el que los tanques de Calutron podían estar uno al lado del otro, con cuatro tanques de vacío, cada uno con una doble fuente. [47] En la reunión del 25 de junio de 1942 del Comité Ejecutivo S-1, que había reemplazado al Comité de Uranio S-1 el 19 de junio, hubo una propuesta para construir la planta electromagnética en Oak Ridge, donde se encontraba el otro Proyecto Manhattan de separación de uranio . donde se ubicarían las instalaciones, por razones de economía y seguridad. Lawrence presentó una objeción debido a su deseo de ubicar la planta de separación electromagnética mucho más cerca de Berkeley. [48] El área de la presa Shasta en California permaneció bajo consideración para la planta electromagnética hasta septiembre de 1942, cuando Lawrence había abandonado su objeción. [49] La reunión del 25 de junio también designó a Stone & Webster como contratista principal para el diseño y la ingeniería. [50]
El Ejército asumió la responsabilidad del Proyecto Manhattan el 17 de septiembre de 1942, con el general de brigada Leslie R. Groves, Jr. , como director, [51] aunque el Ejército no asumió formalmente los contratos con la Universidad de California de la OSRD hasta el 17 de septiembre de 1942. Mayo de 1943. [52] El mayor Thomas T. Crenshaw, Jr., se convirtió en ingeniero del área de California en agosto de 1942, con el capitán Harold A. Fidler , quien pronto lo reemplazó, como su asistente. Crenshaw estableció su oficina en el Laboratorio Donner de la Universidad de California. [53] [54] En septiembre de 1942, el Comité Ejecutivo de la S-1 recomendó que se construyera una planta piloto de cinco tanques junto con una sección de 200 tanques de una planta de producción. [51]
Entre octubre de 1942 y noviembre de 1943, Groves realizó visitas mensuales al Laboratorio de Radiación de Berkeley. [46] Los informes indicaron que, en comparación con las alternativas de una planta de difusión gaseosa o un reactor nuclear productor de plutonio , una planta electromagnética tardaría más tiempo y requeriría materiales más escasos para construir, y necesitaría más mano de obra y más electricidad para funcionar. Por tanto, el coste de un kilogramo de material fisionable sería mucho mayor. Por otro lado, si bien los procesos alternativos todavía enfrentaban obstáculos técnicos considerables, se demostró que el proceso electromagnético funciona y podría construirse en etapas que comenzarían inmediatamente a producir material fisionable. [55] Groves canceló la planta piloto el 14 de noviembre, a favor de proceder inmediatamente con la planta de producción. [56]
El Laboratorio de Radiación envió los diseños preliminares para una planta de producción a Stone & Webster antes de fin de año, pero una cuestión importante seguía sin resolverse. Oppenheimer sostuvo que el uranio apto para armas tendría que tener un 90% de uranio-235 puro. Edward Lofgren y Martin Kamen pensaron que esto no podría lograrse sin una segunda etapa de enriquecimiento. [39] Las dos etapas se conocieron como Alfa y Beta. [57] En marzo de 1943, Groves aprobó la construcción de cinco hipódromos Alpha y dos Beta. En septiembre, autorizó cuatro hipódromos Alpha más, que pasaron a ser conocidos como Alpha II, junto con dos hipódromos Beta más para procesar su producto. [39] [58]
.jpg/1280px-HD.4A.145_(10406006195).jpg)
La construcción de la planta electromagnética en Oak Ridge, con nombre en código Y-12 , comenzó el 18 de febrero de 1943. La instalación eventualmente comprendería nueve edificios de procesos principales y otras 200 estructuras que cubrirían casi 80 acres (32 ha) de espacio. El sitio de 825 acres (334 ha) en Bear Creek Valley, al suroeste del municipio de Oak Ridge, fue seleccionado con la esperanza de que las líneas de las crestas circundantes pudieran contener una explosión importante o un accidente nuclear. [59] Los problemas con el sustrato obligaron a los equipos de excavación a realizar más voladuras y excavaciones para proporcionar cimientos adecuados para la maquinaria pesada en las instalaciones. [60]
Llegaron suministros y materiales de todo tipo: 2.157 vagones llenos de equipos eléctricos, 1.219 de equipos pesados, 5.389 de madera, 1.407 de tuberías y accesorios, 1.188 de acero, 257 de válvulas y 11 de electrodos de soldadura. Las pistas de carreras requirieron 85.000 tubos de vacío . Siempre que fue posible, se utilizaron componentes disponibles en el mercado, pero muchos componentes de los calutrones eran únicos. [61] Se establecieron dos departamentos de compras, uno en Boston, cerca de Stone & Webster, para equipos de instalaciones, y el otro en Oak Ridge, para suministros de construcción. [62]
El ingeniero jefe del distrito de Manhattan, coronel James C. Marshall , y su adjunto, el teniente coronel Kenneth D. Nichols , descubrieron que el proceso de separación de isótopos electromagnéticos requeriría 5.000 toneladas cortas (4.500 toneladas) de cobre , que escaseaban desesperadamente. . Sin embargo, se dieron cuenta de que se podía sustituir la plata , en una proporción de 11:10 de cobre:plata. El 3 de agosto de 1942, Nichols se reunió con el subsecretario del Tesoro , Daniel W. Bell , y solicitó la transferencia de lingotes de plata del West Point Bullion Depository . Nichols recordó más tarde la conversación:
Explicó el procedimiento para transferir la plata y preguntó: "¿Cuánto necesitas?". Respondí: "Seis mil toneladas". "¿Cuántas onzas troy son?", preguntó. De hecho, yo no sabía convertir toneladas a onzas troy, y él tampoco. Un poco impaciente, respondí: "No sé cuántas onzas troy necesitamos". pero sé que necesito seis mil toneladas; es una cantidad definida. ¿Qué diferencia hay en cómo expresamos la cantidad?" Él respondió bastante indignado: "Joven, usted puede pensar en la plata en toneladas, pero el Tesoro siempre pensará en la plata en onzas troy". [ 63]
Finalmente, se utilizaron 14.700 toneladas cortas (13.300 toneladas; 430.000.000 de onzas troy) de plata, [64] por un valor de más de 600 millones de dólares. [65] Nichols tuvo que proporcionar una contabilidad mensual al Tesoro. Los lingotes de plata de 31 kg (1.000 onzas troy) fueron llevados bajo custodia a Defense Plant Corporation en Carteret, Nueva Jersey , donde fueron moldeados en palanquillas cilíndricas, y luego a Phelps Dodge en Bayway, Nueva Jersey , donde fueron extruidos. en tiras de 15,9 mm (0,625 pulgadas) de espesor, 7,6 cm (3 pulgadas) de ancho y 12 m (40 pies) de largo. Unos 258 vagones fueron enviados bajo vigilancia por ferrocarril a Allis-Chalmers en Milwaukee, Wisconsin , donde fueron enrollados en bobinas magnéticas y sellados en carcasas soldadas. [66] Finalmente, se trasladaron en vagones sin vigilancia a Clinton Engineer Works. Allí se instituyeron procedimientos especiales para el manejo de la plata. Cuando tuvieron que perforarlo, lo hicieron sobre papel para poder recoger las limaduras. Después de la guerra, toda la maquinaria fue desmantelada y limpiada y las tablas del suelo debajo de la maquinaria fueron arrancadas y quemadas para recuperar pequeñas cantidades de plata. Al final, se perdieron 155.645,39 onzas troy (4.841,113 kg) o menos del 0,036%. [65] [67] [68] En mayo de 1970, las últimas 67 toneladas cortas (61 toneladas; 2.000.000 de onzas troy) de plata fueron reemplazadas por cobre y devueltas al Tesoro. [69]
La pista de carreras XAX con dos tanques y tres bobinas estaba lista para entrenar a los trabajadores en agosto de 1943. Se descubrieron errores , pero no se les dio seguimiento agresivo. El primer edificio del proceso Alpha, 9201-1, se completó el 1 de noviembre de 1943. Cuando la primera pista de carreras se puso en marcha para las pruebas según lo previsto en noviembre, los tanques de vacío de 14 toneladas se desalinearon hasta 3 pulgadas (8 cm). ) debido a la potencia de los imanes y tuvo que fijarse con mayor seguridad. Un problema más grave surgió cuando las bobinas magnéticas comenzaron a provocar un cortocircuito. En diciembre, Groves ordenó que se rompiera un imán y se encontraron puñados de óxido en su interior. La humedad también era un problema en sí misma, al igual que el enrollado del cable, que estaba demasiado apretado. Groves ordenó que se derribaran las pistas de carreras y que se enviaran los imanes a la fábrica para limpiarlos y rebobinarlos. [62] [70] Se instituyeron estándares rígidos de preparación y limpieza para evitar la recurrencia de estos problemas. [71]
El entrenamiento para las pistas Beta pasó de la pista XAX a la pista de entrenamiento y desarrollo XBX en noviembre de 1943. [72] Una segunda pista Alpha I entró en funcionamiento en enero de 1944. La primera pista Beta y la tercera y primera pistas Alpha, ahora reparadas, se convirtieron en operativo en marzo de 1944, y la cuarta pista de carreras Alpha en abril de 1944. Un tercer edificio, 9201-3, contenía una quinta pista de carreras que incorporó algunas modificaciones y se conocía como Alpha I 1 ⁄ 2 . Este entró en funcionamiento el 3 de junio de 1944. Los trabajos en los edificios de química Alfa y Beta, 9202 y 9203, comenzaron en febrero de 1943 y se completaron en septiembre. El trabajo en el edificio del proceso Beta, 9204-1, comenzó en mayo de 1943 y estuvo listo para funcionar el 13 de marzo de 1944, pero no se completó hasta septiembre de 1944. [73] [74] [75]
Groves autorizó Alpha II en septiembre de 1943. Este consistía en dos nuevos edificios de proceso Alpha, 9201-4 y 9201-5, otro Beta, 9204-2, una extensión del edificio de química Alpha y un nuevo edificio de química Beta, 9206. Cuando Inaugurado el 9206, el antiguo edificio de química Beta, 9203, se convirtió en laboratorio. Las obras de los nuevos edificios del proceso Alpha II comenzaron el 2 de noviembre de 1943; La primera pista de carreras se completó en julio de 1944 y las cuatro estaban operativas el 1 de octubre de 1944. Las pistas de carreras Alpha II estaban configuradas en un diseño lineal en lugar de ovalado, aunque todavía se llamaban pistas de carreras. [73] [74] [75] En total, había 864 calutrones Alpha, dispuestos en nueve pistas de 96. Había solo 36 calutrones en cada pista Beta, para un total de 288 calutrones, aunque solo 216 de ellos fueron operados. . [57]
El trabajo en el nuevo edificio de proceso Beta comenzó el 20 de octubre de 1943. La instalación del equipo comenzó el 1 de abril de 1944 y estuvo listo para su uso el 10 de septiembre de 1944. En mayo de 1944 se autorizó un tercer edificio de proceso Beta, 9204-3, para procesar el producción de la planta de difusión gaseosa K-25 . Se completó el 15 de mayo de 1945. Un cuarto edificio de proceso Beta, 9204-4, fue autorizado el 2 de abril de 1945 y se completó el 1 de diciembre de 1945. En junio de 1944 se inició un nuevo grupo de edificios de química Alpha conocido como grupo 9207. pero el trabajo se detuvo en junio de 1945 antes de que estuvieran terminados. Junto a estos edificios principales, había oficinas, talleres, almacenes y otras estructuras. Había dos plantas de vapor para calefacción y una central eléctrica para electricidad. [75] [73]
Las pistas de carreras Alpha eran un aumento de 24 veces del calutron XA que podía contener 96 tanques calutron Alpha. Los calutrones estaban en posición vertical y dispuestos uno frente al otro en pares de máquinas internas y externas. Para minimizar las pérdidas magnéticas y ahorrar en el consumo de acero, el conjunto se curvó en una forma ovalada que formaba un bucle magnético cerrado de 122 pies (37 m) de largo, 77 pies (23 m) de ancho y 15 pies (4,6 m) de alto. en forma de pista de carreras; de ahí el nombre. [39] Los dos edificios Alpha I, 9201-1 y 9201-2, contenían cada uno dos pistas de carreras, con solo uno en el Alpha I 1 ⁄ 2 , 9201-3. Las pistas de carreras Beta eran más pequeñas, de forma lineal y optimizadas para la recuperación en lugar de la producción, con solo 36 en lugar de 96 contenedores de proceso. Los cuatro circuitos Alpha II también tenían una configuración lineal. Incorporaron muchas mejoras, la más importante fue que tenían cuatro fuentes en lugar de solo dos. [73] [75] También tenían imanes y sistemas de vacío mejorados. [76]
Tennessee Eastman fue contratado para administrar Y-12 según el costo habitual más una tarifa fija, con una tarifa de $22,500 por mes más $7,500 por pista para las primeras siete pistas y $4,000 por pista adicional. Se reclutaron trabajadores en el área de Knoxville. El recluta típico era una mujer joven, recién graduada de una escuela secundaria local. La formación se llevó a cabo inicialmente en la Universidad de Tennessee . El entrenamiento se trasladó a Berkeley de abril a septiembre de 1943, donde se llevó a cabo en el calutron XA y un modelo a escala 1:16 del hipódromo Alpha, y luego a Oak Ridge cuando el calutron XAX estuvo disponible. Se necesitarían unos 2.500 operadores una vez que todos los calutrones Alpha II estuvieran disponibles. La nómina de Tennessee Eastman en Y-12 se disparó de 10.000 a mediados de 1944 a 22.482 en agosto de 1945. Por razones de seguridad, a los alumnos no se les informó del propósito del equipo que se les enseñó a operar. [77] [78]
Inicialmente, los calutrones fueron operados por científicos de Berkeley para eliminar errores y lograr una tasa de funcionamiento razonable. Luego los operadores de Tennessee Eastman se hicieron cargo. Nichols comparó los datos de producción unitaria y le señaló a Lawrence que las jóvenes operadoras "hillbilly" estaban superando en producción a sus doctorados. Acordaron una carrera de producción y Lawrence perdió, lo que supuso un impulso moral para las " Chicas Calutron " (llamadas Operadoras de Cubículo en ese momento) y sus supervisores. Las mujeres fueron entrenadas como soldados para no razonar por qué, mientras que "los científicos no podían dejar de investigar durante mucho tiempo la causa de incluso las fluctuaciones menores de los diales". [79]
Durante un tiempo, los calutrones sufrieron una serie de averías y fallos de equipo debilitantes, agravados por la escasez de repuestos. Las esperanzas de que las pistas de carreras Alpha II fueran más confiables pronto se desvanecieron, ya que estaban plagadas de fallas en los aisladores. Estos problemas se fueron superando gradualmente. Los primeros envíos de uranio enriquecido al Laboratorio de Los Álamos del Proyecto Manhattan se realizaron en marzo de 1944 y consistían en un producto Alpha enriquecido entre un 13 y un 15 por ciento de uranio-235. Si bien no tenía utilidad en una bomba, se necesitaba con urgencia para experimentos con uranio enriquecido. El último envío de producto Alpha se realizó el 11 de mayo de 1944. El 7 de junio de 1944, Y-12 realizó su primera entrega de producto Beta apto para armas , enriquecido hasta un 89% de uranio-235. [77] [80]
Un problema importante fue el de la pérdida de materia prima y producto. Sólo 1 parte de cada 5.825 del material de alimentación se convirtió en producto terminado. Aproximadamente el 90 por ciento quedó salpicado sobre los biberones o los tanques de vacío. El problema era especialmente grave con la alimentación enriquecida de los calutrones Beta. Se hicieron esfuerzos extraordinarios para recuperar el producto, incluida la quema de los revestimientos de carbono del receptor para recuperar el uranio que contenían. A pesar de todo, se perdió aproximadamente el 17,4 por ciento del producto Alfa y el 5,4 por ciento del producto Beta. Frank Spedding del Laboratorio Ames del Proyecto Manhattan y Philip Baxter de la Misión Británica fueron enviados para asesorar sobre mejoras en los métodos de recuperación. [81] La muerte de un trabajador por exposición al fosgeno también impulsó la búsqueda de un proceso de producción más seguro. [40]
En febrero de 1945, comenzó a llegar material de alimentación de uranio-235 ligeramente enriquecido al 1,4 por ciento desde la planta de difusión térmica líquida S-50 . Los envíos de productos del S-50 se suspendieron en abril. En su lugar, el producto S-50 se introdujo en K-25. [82] En marzo de 1945, Y-12 comenzó a recibir alimento enriquecido al 5 por ciento de K-25. [83] La producción de estas plantas era en forma de hexafluoruro de uranio ( UF
6). Se convirtió en trióxido de uranio, que luego pasó al proceso habitual de conversión en tetracloruro de uranio. [84] El 5 de agosto de 1945, K-25 comenzó a producir alimento enriquecido al 23 por ciento, suficiente para ser alimentado directamente a las pistas de carreras Beta. Luego, el producto Alpha restante se introdujo en K-25. En septiembre de 1945, los calutrones habían producido 88 kilogramos de producto con un enriquecimiento promedio del 84,5 por ciento, y los hipódromos Beta produjeron otros 953 kilogramos enriquecidos al 95 por ciento a finales de año. [83] El uranio enriquecido de los calutrones proporcionó el componente fisible de la bomba atómica Little Boy utilizada en el bombardeo atómico de Hiroshima en agosto de 1945. [39] [85]
Una vez terminada la guerra, las vías Alpha comenzaron a suspender sus operaciones el 4 de septiembre de 1945 y dejaron de funcionar por completo el 22 de septiembre. Las dos últimas vías Beta entraron en pleno funcionamiento en noviembre y diciembre de 1945, procesando alimentación del K-25 y la nueva planta de difusión gaseosa K-27. [87] En mayo de 1946, los estudios sugirieron que las plantas de difusión gaseosa podrían enriquecer completamente el uranio por sí mismas sin crear accidentalmente una masa crítica. [88] Después de que un juicio demostró que este era el caso, Groves ordenó el cierre de todas las pistas Beta menos una en diciembre de 1946. [89]
El coste total del proyecto electromagnético hasta el final del Proyecto Manhattan el 31 de diciembre de 1946 fue de 673 millones de dólares (equivalente a 10,1 mil millones de dólares en 2022). [86]
La fuerza laboral en Y-12 cayó de un pico en tiempos de guerra de 22.482 el 21 de agosto de 1945 a menos de 1.700 en 1949. [69] Todos los calutrones fueron retirados y desmantelados, excepto las pistas de entrenamiento XAX y XBX en el Edificio 9731, y el Beta. 3 pistas de carreras en el edificio 9204–3. [90] [91] En 1947, Eugene Wigner , director del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), pidió permiso a la Comisión de Energía Atómica para utilizar los calutrones Beta para producir isótopos para experimentos de física. Se concedió el permiso y se produjo una amplia gama de isótopos. El litio-6 de los calutrones Beta se utilizó para la investigación de armas termonucleares . Muchos otros isótopos se utilizaron con fines científicos y médicos pacíficos. [92] Las pistas de carreras Beta 3 fueron transferidas al ORNL en marzo de 1950. [91] A mediados de la década de 1950, los calutrones Beta habían producido cantidades de todos los isótopos estables naturales excepto los de osmio , que tuvieron que esperar hasta abril de 1960. [93] Los calutrones continuaron produciendo isótopos hasta 1998. [94] A partir de 2015 [actualizar], todavía están en espera. [95]
Al igual que Estados Unidos, la Unión Soviética (URSS) llevó a cabo investigaciones sobre tecnologías de enriquecimiento múltiple para el proyecto de bomba atómica soviética . En 1946 se llevó a cabo un proceso electromagnético de prueba con un calutrón utilizando un imán traído de Alemania. En 1946 se eligió un sitio para una planta electromagnética en Sverdlovsk-45. La planta piloto, conocida como Planta 418, se completó en 1948. Se desarrolló un diseño más eficiente en el que los haces de partículas se curvaban 225° en lugar de 180° como en el calutrón americano. Se utilizó para completar el proceso de enriquecimiento de uranio después de que se encontraron dificultades técnicas con el proceso de difusión gaseosa. El uranio enriquecido hasta aproximadamente el 40 por ciento de uranio-235 fue llevado a Sverdlovsk-45 para su enriquecimiento final entre el 92 y el 98 por ciento. Después de que se resolvieron los problemas con el proceso de difusión gaseosa en 1950, se decidió no continuar con una planta electromagnética a gran escala. [96] [97] A partir de 2009 [actualizar], permanece operativo. [91] En 1969, se construyó un calutrón de investigación conocido como S-2 en Arzamas-16 para la separación de alta eficiencia de isótopos de elementos pesados como el plutonio. [96] [98] [99]
En el Instituto Chino de Energía Atómica de Beijing se construyeron cuatro calutrones de investigación y producción de diseño idéntico a los de la URSS a principios de los años 1960. [100] [101] [102]
En 1945, el proyecto de la bomba atómica británica construyó un calutrón de 180°, similar en diseño a un calutrón Beta estadounidense, en el Establecimiento de Investigación de Energía Atómica en Harwell, Oxfordshire . Debido al éxito de la planta de difusión gaseosa de Capenhurst , el Reino Unido no buscó la separación electromagnética y se utilizó el calutrón para separar isótopos para la investigación. El diseño de 180° no era ideal para este propósito, por lo que Harwell construyó un calutrón de 90°, HERMES, el "Separador electromagnético de elementos pesados y materiales radiactivos". [103] Se inspiró en los separadores franceses SIDONIE y PARIS en el Laboratoire René Bernas de la Universidad de París IX en Orsay , y PARSIFAL en el laboratorio de investigación militar del Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternativas en Bruyères-le- Castillo . [104] [105]
Israel, Japón y Francia también construyeron algunos calutrones de investigación, incluidos los separadores SOLIS y MEIRA en el Centro de Investigación Nuclear de Soreq . También está el detector en línea del separador de isótopos del CERN (ISOLDE), que fue construido en 1967. [106]
Se utilizó un calutrón en el Instituto Saha de Física Nuclear en Bidhan Nagar en India para producir plutonio para la primera prueba nuclear de la India el 18 de mayo de 1974. [96] [107]
Después de la Guerra del Golfo de 1990-1991 , la UNSCOM determinó que Irak había estado llevando a cabo un programa Calutron para enriquecer uranio. [108] Irak optó por desarrollar el proceso electromagnético en lugar de métodos de enriquecimiento más modernos, económicos y eficientes porque los calutrones eran más fáciles de construir, con menos desafíos técnicos y los componentes necesarios para construirlos no estaban sujetos a controles de exportación. [109] [110] En el momento en que se descubrió el programa, se estimaba que Irak estaba a dos o tres años de producir suficiente material para armas nucleares. El programa fue destruido en la Guerra del Golfo. [111] En consecuencia, el Grupo de Suministradores Nucleares añadió el equipo de separación electromagnética a sus directrices para las transferencias de equipo, material y tecnología de doble uso relacionados con la energía nuclear. [112] [113]
Medios relacionados con Calutron en Wikimedia Commons
