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El Proyecto P-9 fue el nombre en clave dado durante la Segunda Guerra Mundial al programa de producción de agua pesada del Proyecto Manhattan . La operación Cominco en Trail, Columbia Británica , fue mejorada para producir agua pesada. DuPont construyó tres plantas en Estados Unidos: en Morgantown Ordnance Works, cerca de Morgantown, Virginia Occidental ; en Wabash River Ordnance Works , cerca de Dana y Newport, Indiana ; y en Alabama Ordnance Works , cerca de Childersburg y Sylacauga, Alabama . Las plantas estadounidenses operaron desde 1943 hasta 1945. La planta canadiense en Trail continuó en operación hasta 1956. Se construyeron tres reactores nucleares utilizando el agua pesada producida por el Proyecto P-9: Chicago Pile 3 en Argonne , y ZEEP y NRX en Chalk . Laboratorios fluviales en Canadá.
El agua pesada es una forma de agua que contiene una cantidad mayor de lo normal del isótopo de hidrógeno deuterio , también conocido como hidrógeno pesado, en lugar del isótopo común de hidrógeno-1 que constituye la mayor parte del hidrógeno en el agua ordinaria. [1] El deuterio fue descubierto por Harold Urey en 1931 y más tarde pudo concentrarlo en agua. [2] Su mentor Gilbert Newton Lewis aisló la primera muestra de agua pesada pura mediante electrólisis en 1933. [3]
Aunque fue una curiosidad científica desde el principio, en 1939 se despertó un interés considerable en el agua pesada cuando Hans von Halban y Lew Kowarski sugirieron que el agua pesada podría usarse como moderador de neutrones en un reactor nuclear que utilizara uranio natural . Realizaron experimentos con uranio utilizando agua corriente, pero descubrieron que los átomos de hidrógeno absorbían neutrones, impidiendo así la reacción en cadena deseada. [4] Sin embargo, el agua pesada fue un moderador ideal. La Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD) puso a Hugh S. Taylor , un físico británico de la Universidad de Princeton, a cargo de la investigación sobre el agua pesada. Taylor y Urey comenzaron a buscar formas de producir agua pesada a escala industrial. Para su proyecto de plutonio , Arthur H. Compton solicitó 2 piedras (28 libras; 13 kg). [5] El proyecto de agua pesada recibió el nombre en código "Proyecto P-9" en octubre de 1942. [6]
El problema del uso de agua pesada era que era escasa y los científicos no podían adquirir fácilmente las cantidades necesarias para un reactor. En la Universidad de Columbia (Estados Unidos), Enrico Fermi y Leó Szilárd intentaron utilizar grafito como moderador. Esto resultó posible, pero el grafito tenía que ser muy puro, ya que las impurezas, especialmente el boro , tendían a absorber neutrones. [4] El 2 de diciembre de 1942, el equipo de Fermi inició la primera reacción nuclear en cadena autosostenida artificial en un reactor experimental conocido como Chicago Pile-1 . Para el Proyecto Manhattan , este fue un paso crucial hacia la fabricación de plutonio en un reactor para su uso en una bomba atómica , pero se necesitaban reactores mucho más grandes para la producción en masa. [7]
Cominco había estado involucrado en la investigación del agua pesada desde 1934 y la producía en su planta de fundición Teck Cominco en Trail, Columbia Británica . El 26 de febrero de 1941, el Consejo Nacional de Investigación de Canadá preguntó sobre su capacidad para producir agua pesada. A esto le siguió, el 23 de julio de 1941, una carta de Taylor en la que ofrecía un contrato al Comité de Investigación de Defensa Nacional (NDRC) para producir 2.000 libras (910 kg), por el cual la NDRC estaba dispuesta a pagar 5 dólares por libra para productos de baja calidad y 10 dólares para productos de alta calidad. -agua pesada de calidad. En ese momento se vendía por hasta 1.130 dólares la libra. [6]
El presidente de Cominco, Selwyn G. Blaylock , se mostró cauteloso. Puede que no hubiera demanda de agua pesada en la posguerra, y la patente del proceso estaba en manos de Albert Edgar Knowles, por lo que sería necesario un acuerdo de participación en los beneficios. En respuesta, Taylor ofreció 20.000 dólares para modificaciones de la planta. [6] [8] Así quedó el asunto hasta el 6 de diciembre de 1941, cuando Blaylock se reunió con el físico británico GI Higson, quien le informó que Taylor se había desanimado con Cominco y había decidido encontrar una fuente alternativa de agua pesada. Blaylock invitó a Taylor a visitar Trail, lo que hizo del 5 al 8 de enero de 1942. Los dos pronto encontraron puntos en común. Blaylock acordó producir agua pesada en Trail y rápidamente obtuvo la aprobación del presidente de la junta, Sir Edward Beatty . Se firmó un contrato el 1 de agosto de 1942. [6]
A la planta existente de 10 millones de dólares que consta de 3.215 celdas que consumen 75 MW de energía hidroeléctrica, se agregaron celdas de electrólisis secundaria para aumentar la concentración de deuterio en el agua del 2,3% al 99,8%. Para este proceso, Taylor desarrolló un catalizador de platino sobre carbono para las tres primeras etapas, mientras que Urey desarrolló uno de níquel- cromía para la torre de la cuarta etapa. [9] Se adquirieron siete nuevas parcelas de tierra por un total de 0,474 acres (0,192 ha) que fueron arrendadas por el gobierno de Estados Unidos. La construcción fue realizada por Stone & Webster . El coste final fue de 2,8 millones de dólares. El gobierno canadiense no se enteró oficialmente del proyecto hasta agosto de 1942, [10] [11] poco antes de que comenzara la construcción el mes siguiente. Se completó el 30 de junio de 1943, a un costo de 2.604.622 dólares. [9]
La producción aumentó constantemente de 15 libras (6,8 kg) en junio de 1943 a 326 libras (148 kg) en enero de 1944, 1.055 libras (479 kg) en enero de 1945 y 1.305 libras (592 kg) en enero de 1946. [12] El costo de funcionamiento de la planta promedió 32.979 dólares por mes durante el período comprendido entre junio de 1943 y diciembre de 1946, [13] cuando el Proyecto Manhattan fue reemplazado por la Comisión de Energía Atómica . [14] Esto resultó en $39 por libra. [13] La producción de agua pesada de Trail continuó hasta 1956. [10]
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El director del Proyecto Manhattan, el general de brigada Leslie R. Groves, Jr. , había contratado en noviembre de 1942 a DuPont como contratista principal para la construcción de un complejo de producción de plutonio. [7] Aunque los diseños preferidos de DuPont para los reactores nucleares eran enfriados con helio y usaban grafito como moderador, DuPont aún expresó interés en usar agua pesada como respaldo, en caso de que el diseño del reactor de grafito resultara inviable por alguna razón. Para ello, se estimó que se necesitarían 3 toneladas cortas (2,7 t) de agua pesada al mes. Como la planta de Trail, que entonces estaba en construcción, podía producir 0,5 toneladas cortas (0,45 t) por mes, se necesitaba más capacidad. [15]
Por lo tanto, Groves autorizó a DuPont a establecer instalaciones adicionales de agua pesada en Morgantown Ordnance Works, cerca de Morgantown, Virginia Occidental ; en Wabash River Ordnance Works , cerca de Dana y Newport, Indiana ; y en Alabama Ordnance Works , cerca de Childersburg y Sylacauga, Alabama . Aunque se conocen como Ordnance Works y se pagan mediante contratos del Departamento de Artillería , fueron construidas y operadas por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos . Ubicarlos en plantas de Ordnance ahorró el costo de adquirir terrenos, ya que ya eran propiedad del gobierno y ya contaban con personal y servicios públicos, incluido equipo de generación de vapor. Las tres plantas americanas utilizaron un proceso diferente al de Trail; El agua pesada se extrajo por destilación, aprovechando el punto de ebullición ligeramente más alto del agua pesada. [15] Este no se consideró un proceso eficiente, pero se sabía que funcionaba y se escalaba a un proceso industrial y, por lo tanto, representaba menos riesgo que otras propuestas. [16] Se esperaba que Morgantown, Wabash y Alabama produjeran 0,4 toneladas cortas (0,36 t), 1,2 toneladas cortas (1,1 t) y 0,8 toneladas cortas (0,73 t) respectivamente de agua pesada por mes, [17] con una concentración de 99,75 %. [18]
Morgantown Ordnance Works (MOW) comenzó como una instalación de producción de productos químicos de 826 acres (334 ha) operada por DuPont durante la Segunda Guerra Mundial, y la construcción de la instalación principal comenzó en el verano de 1940. [19] Originalmente producía amoníaco para su uso. En la fabricación de explosivos, el MOW también produjo alcohol, hexamina y formaldehído antes de ampliarse para producir agua pesada para su uso en el Proyecto P-9. [20] DuPont llevó a cabo las obras en Morgantown en virtud de un contrato de costo más tarifa fija , al igual que las obras en Wabash y Alabama. La construcción comenzó el 7 de enero de 1943 y se completó sustancialmente antes de la fecha prevista del 1 de septiembre. Las instalaciones se pusieron en funcionamiento progresivamente entre el 29 de mayo y el 28 de agosto de 1943. El coste fue de 3.490.069 dólares. La tarifa fija de DuPont fue originalmente de $154,882, pero se redujo voluntariamente a $88,588 porque el costo de construcción fue considerablemente menor que los $6,034,000 estimados originalmente. [21]
La planta de acabado electrolítico se estableció en Morgantown porque estaba bajo el control de la División de Amoníaco de DuPont. En esta planta, la producción de las plantas de destilación, que consistía aproximadamente en un 90% de agua pesada, se descomponía mediante electrólisis en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno ligero tiende a extraerse primero, dejando atrás el agua pesada. Este proceso se repitió a través de varias etapas para producir un producto terminado que era 99,75 % de agua pesada. [22] Después de que el agua alcanzó una concentración del 99,75%, el agua pesada fue transportada por ferrocarril a la Universidad de Chicago , donde se utilizó como moderador potencial para los primeros reactores nucleares construidos en los Estados Unidos. [20]
Tras el final de la guerra, DuPont puso fin a sus operaciones en el MOW y el sitio fue arrendado a varias compañías químicas hasta principios de la década de 1950 antes de permanecer vacío hasta 1962, cuando el área fue comprada a la Administración de Servicios Generales de los Estados Unidos por el precio de 1,25 millones de dólares. por la Asociación Comunitaria de Morgantown. Luego, la propiedad se transfirió a la recién creada Morgantown Ordnance Works, Inc., propiedad del industrial local JW Ruby, quien comenzó a convertir el sitio en un parque industrial. [19] En 1984, se propuso formalmente que parte del sitio se agregara a la Lista de Prioridades Nacionales Superfund de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y se agregó a la lista dos años después, en 1986. La construcción de Remedy comenzó en 2001 e incluyó la consolidación de Los materiales contaminados se depositaron en un vertedero in situ cubierto con una capa multicapa. El remedio también incluyó monitoreo a largo plazo y controles institucionales y se completó en 2003. [23] El 21 de agosto de 2018, la EPA eliminó las Áreas de Eliminación de Obras de Artillería de la Lista de Prioridades Nacionales del Superfund junto con otros ocho sitios. [24]
La construcción comenzó el 23 de enero de 1943 y se completó sustancialmente el 22 de octubre. Las etapas de la planta de destilación P-9 entraron en funcionamiento entre el 17 de junio y el 18 de septiembre de 1943. El costo total fue de 7.493.157 dólares, incluidos los honorarios de DuPont de 152.472 dólares, que se redujeron voluntariamente de 272.776 dólares porque la planta se construyó por mucho menos que los 13.665.000 dólares asignados. [25]
La construcción comenzó el 11 de febrero de 1943 y se completó el 15 de noviembre. Las etapas de la planta de destilación P-9 entraron en funcionamiento entre el 29 de mayo y el 4 de septiembre de 1943. El costo total fue de 3.466.171 dólares, incluidos los honorarios de DuPont de 70.368 dólares, que se redujeron voluntariamente de 184.680 dólares porque la planta se construyó por mucho menos que los 8.285.000 dólares asignados. [26]
Las tres plantas estadounidenses nunca alcanzaron la producción prevista de 4.800 libras (2.200 kg) por mes. Se consideraron una serie de sugerencias para mejorar la producción y se llevaron a cabo las más prometedoras. La más exitosa de ellas fue la reconstrucción de las torres de la primera etapa en Morgantown para reducir las fugas, lo que resultó en una mejora considerable del rendimiento. Sin embargo, en ese momento, a principios de 1945, se decidió que la producción era suficiente y que el gasto de hacer esto en las otras plantas no podía justificarse. [27]
La planta de destilación P-9 en Alabama se cerró en junio de 1945, la de Wabash en julio y la de Morgantown en agosto. La planta de acabado electrolítico de Morgantown cerró en septiembre. El producto intermedio restante al cerrar las plantas se envió a Trail. Esto resultó en aproximadamente 1,600 libras (730 kg) de producción adicional en Trail. Entre febrero de 1944 y agosto de 1945, la planta de acabado electrolítico de Morgantown, que terminaba el producto de las tres plantas, produjo un promedio de 2277 libras (1033 kg) por mes, para un total de 43,253 libras (19,619 kg). [27]
La planta de acabado electrolítico también procesó 3151 libras (1429 kg) de agua pesada recuperada de Alemania por la Misión Alsos del Proyecto Manhattan . [27] El costo de producción mensual promedio fue de $72.000 para Morgantown, $154.000 en Alabama y $197.400 en Wabash, para un total de $423.400. Por lo tanto, el agua pesada cuesta $186 por libra, excluyendo el costo de $11,967,000 de las plantas. Si se incluye esto, cuesta $550 por libra, en comparación con $111 por libra en Trail. [28]
El producto intermedio se envió desde Wabash y Alabama por ferrocarril en contenedores metálicos sellados. El producto terminado se envió por ferrocarril desde Morgantown a través de Monongahela Railway and Trail a través de Canadian Pacific Railway hasta el Laboratorio Metalúrgico del Proyecto Manhattan en la Universidad de Chicago . [28] [29] El agua pesada de Trail se utilizó para Chicago Pile 3 en Argonne , el primer reactor que utilizó agua pesada y uranio natural. Diseñado por Eugene Wigner y construido bajo la dirección de Walter Zinn , alcanzó un nivel crítico el 15 de mayo de 1944. Los Laboratorios Chalk River utilizaron una asignación de agua pesada para construir ZEEP bajo la dirección de Kowarski, que se volvió crítico en septiembre de 1945. A esto le siguió por su reactor NRX en 1947, que también fue moderado por agua pesada. Al igual que CP-3 y ZEEP, se utilizó para investigaciones científicas y no para producción de plutonio. [10]
La demanda de agua pesada aumentó a principios de los años cincuenta. [16] La instalación de agua pesada en Wabash, ahora rebautizada como Planta Dana por la Comisión de Energía Atómica, fue reabierta y DuPont reanudó la producción de agua pesada en mayo de 1952. [30] El sitio se utilizó como planta piloto para un nuevo proceso de producción. utilizando sulfuro de hidrógeno . La instalación de agua pesada se cerró nuevamente a principios de 1957. [31] La instalación y un complejo más grande en el sitio del río Savannah habían cumplido su propósito, suministrando agua pesada para los reactores de producción de plutonio en el río Savannah. [32]
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