Chicago Pile-1 ( CP-1 ) fue el primer reactor nuclear artificial del mundo . El 2 de diciembre de 1942, se inició la primera reacción nuclear en cadena autosostenida creada por el hombre en CP-1 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 , CP-1 se construyó bajo las gradas de observación del oeste 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 un área densamente poblada. Fermi describió el reactor como "una pila tosca 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 aproximadamente 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 usaba uranio natural. Esto requería una gran cantidad de material para alcanzar la criticidad, junto con 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, aproximadamente medio vatio.
La búsqueda de un reactor nuclear se había iniciado por la preocupación de que la Alemania nazi tuviera una ventaja científica sustancial. El éxito de Chicago Pile-1 en la producción de la reacción en cadena proporcionó la primera demostración vívida de la viabilidad del uso militar de la energía nuclear por parte de los Aliados, así como la realidad del peligro de que la Alemania nazi pudiera tener éxito en la producción de armas nucleares. Anteriormente, las estimaciones de masas críticas habían sido cálculos rudimentarios, lo que condujo a incertidumbres de órdenes 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 tendría que usarse agua pesada, escasa y cara, 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 su prueba de su uso como moderador, mientras que Leo Szilard y Enrico Fermi habían preguntado a los proveedores sobre las contaminaciones más comunes del grafito después de una primera prueba fallida. Por lo tanto, se aseguraron de que la siguiente prueba se realizaría con grafito completamente libre de ellos. Resultó que tanto el boro como el cadmio eran fuertes venenos para los neutrones .
En 1943, el CP-1 fue trasladado al Sitio A , un centro de investigación de guerra cerca de Chicago, donde fue reconfigurado para convertirse en Chicago Pile-2 (CP-2). Allí, funcionó con fines de investigación hasta 1954, cuando fue desmantelado y enterrado. Las gradas del Stagg Field fueron demolidas en agosto de 1957 y un cuadrilátero conmemorativo marca ahora la ubicación del sitio del experimento, que ahora es un Monumento Histórico Nacional y un Monumento Histórico 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 solo los productos de reacción finales, sino también algunas moléculas inestables que pueden reaccionar aún más con las sustancias originales para hacer que reaccionen más. [5] El concepto de una reacción nuclear en cadena fue hipotetizado 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 dineutrones , que luego causaban más reacciones nucleares, el proceso podría autoperpetuarse. Szilard propuso usar mezclas de isótopos conocidos más ligeros que producían neutrones en grandes cantidades, y también consideró la posibilidad de usar uranio como combustible. [7] Presentó una patente para su idea de un reactor nuclear simple el año siguiente. [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 marcha. 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 llevar a cabo el primer experimento de fisión nuclear en los Estados Unidos el 25 de enero de 1939. [17] [18] Trabajos posteriores confirmaron que los neutrones rápidos se producían efectivamente 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 sencillo en el séptimo piso de Pupin Hall en Columbia, utilizando una fuente de radio-berilio para bombardear uranio con neutrones. Descubrieron una multiplicación significativa 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 la determinación del 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 el material fisible 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 núcleos de uranio, lo que provoca la fisión del uranio. [25] [26] Szilard sugirió a Fermi que usaran carbono en forma de grafito como moderador. Como plan B, 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 de ella. [27] Fermi estimó que un núcleo de uranio en fisión producía 1,73 neutrones en promedio. Era suficiente, pero se requería 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 calculó 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 importante uso comercial del grafito en ese momento. Debido 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 para absorber neutrones, [31] lo que confirmó una sospecha de Szilard. [32] Más importante aún, MacPherson y Hamister creían que se podían desarrollar técnicas para producir grafito de suficiente pureza. 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 mbarns , el grafito AGOT se considera el primer grafito de grado nuclear verdadero . [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 que se utilizaría en la construcción de Chicago Pile-1. [36]
Szilard redactó una carta confidencial al presidente Franklin D. Roosevelt , advirtiendo de un proyecto de armas nucleares alemán , 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 de firmar la carta, prestando su prestigio a la propuesta. [37] La carta Einstein-Szilard resultó en el establecimiento de la investigación sobre la fisión nuclear por parte del gobierno de los EE. UU. [38] Se formó un Comité Asesor sobre Uranio bajo la dirección de Lyman J. Briggs , un científico y director de la Oficina Nacional de Normas . A su primera reunión, el 21 de octubre de 1939, asistieron Szilard, Teller y Wigner. Los científicos persuadieron al Ejército y la Armada para que proporcionaran $ 6,000 para que Szilard comprara suministros para experimentos, en particular, más grafito. [39]
En abril de 1941, el Comité Nacional de Investigación de Defensa (NDRC) creó un proyecto especial encabezado por Arthur Compton , profesor de física de la Universidad de Chicago y ganador del Premio Nobel , para informar sobre el programa de uranio. El informe de Compton, presentado en mayo de 1941, previó las perspectivas de desarrollar armas radiológicas , propulsión nuclear para barcos y armas nucleares utilizando uranio-235 o el recientemente descubierto plutonio . [40] En octubre escribió otro informe sobre la viabilidad de una bomba atómica. Para este informe, trabajó con Fermi en los cálculos de la masa crítica del 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 fisionables . Si era así, entonces era probable que el plutonio-239 lo fuera. [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 eficaz de captura de neutrones térmicos del uranio-235. En ese momento, solo 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, afirmó que era factible 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, aunque todavía no se había construido un reactor exitoso. [46] Propuso un cronograma 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, incluyendo tanto la absorción de neutrones 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 , el radio crítico se calculó en aproximadamente:
, [47]
donde M es la distancia media que recorre un neutrón antes de ser absorbido, y k es el factor de multiplicación de neutrones medio . Los neutrones en reacciones sucesivas se amplificarán por un factor k , la segunda generación de eventos de fisión producirá k 2 , la tercera k 3 y así sucesivamente. Para que se produzca una reacción nuclear en cadena autosostenida , k debe ser al menos un 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 lugar a un aumento rápido y exponencial del número de eventos de fisión. [47] [48]
Fermi bautizó su aparato como "pila". Emilio Segrè recordó más tarde que:
Durante un tiempo pensé que este término se utilizaba para referirse a una fuente de energía nuclear en analogía con el uso que hizo Volta del término italiano pila para designar su propia gran invención de una fuente de energía eléctrica. Me desilusioné con el propio Fermi, que me dijo que simplemente utilizaba la palabra común inglesa pile como sinónimo de heap . Para mi sorpresa, Fermi nunca pareció haber pensado en la relación entre su pila y la 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 funcionaría una más grande. La denominada pila exponencial que propuso construir tenía 2,4 m de largo, 2,4 m de ancho y 3,4 m de alto. [50] Era demasiado grande para caber en los Laboratorios de Física Pupin. Fermi recordó que:
Fuimos a ver al decano Pegram, que en ese entonces era el hombre que podía llevar a cabo magia en la universidad, y le explicamos que necesitábamos una habitación grande. Él exploró el campus y lo acompañamos a pasillos oscuros y bajo varias tuberías de calefacción, etc., para visitar posibles lugares para este experimento y, finalmente, se descubrió una gran habitación en Schermerhorn Hall . [51]
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La pila se construyó en septiembre de 1941 a partir de bloques de grafito de 10 x 10 x 30 cm y latas de hojalata con óxido de uranio. Las latas eran cubos de 20 x 20 x 20 cm. Cuando se llenaban con óxido de uranio, cada una pesaba alrededor de 27 kg. Había 288 latas en total, y cada una estaba rodeada de bloques de grafito para que el conjunto formara una estructura reticular cúbica. Una fuente de neutrones de radio-berilio se colocó cerca del fondo. El óxido de uranio se calentó para eliminar la humedad y se empaquetó en las latas mientras aún estaba caliente en una mesa vibratoria. Luego, las latas se cerraron con soldadura. Para la mano de obra, Pegram consiguió los servicios del equipo de fútbol de Columbia . En ese momento, era costumbre que los jugadores de fútbol realizaran trabajos ocasionales en la universidad. Podían 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 no suficiente colaboración, y decidió concentrar el trabajo en un solo lugar. Nadie quería mudarse, y todos argumentaron a favor de 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 tenía el apoyo incondicional de la administración universitaria. [53] Chicago también tenía una ubicación central, y los científicos, técnicos e instalaciones estaban más disponibles en el Medio Oeste , donde el trabajo de guerra aún no los había quitado. [53] En contraste, 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 funcional en Columbia. Como las latas habían absorbido neutrones, se prescindió de ellas. En su lugar, 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 una lámina de metal alrededor de ella y el contenido se calentó por encima del punto de ebullición del agua para eliminar la humedad. El resultado fue un k de 0,918. [55]
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En Chicago, Samuel K. Allison había encontrado un lugar adecuado de 60 pies (18 m) de largo, 30 pies (9,1 m) de ancho y 26 pies (7,9 m) de alto, hundido ligeramente por debajo del nivel del suelo, en un espacio debajo de las gradas del Stagg Field originalmente construido como una cancha de raquetas . [56] [57] Stagg Field había estado en gran parte sin uso desde que la Universidad de Chicago había dejado 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 squash allí en 1940. Dado que estaba destinado a ejercicios extenuantes, el área no tenía calefacción y era muy fría en el invierno. Las cercanas North Stands 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 el grupo de Fermi llegara 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 se denominó el 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 bajo 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 fue designada para construir detectores de neutrones de trifluoruro de boro tan pronto como completó su tesis doctoral. También ayudó a Anderson a localizar la gran cantidad requerida de vigas de 4 por 6 pulgadas (10 por 15 cm) en los aserraderos del 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; este se conoció como " Sitio A ". 1.025 acres (415 ha) fueron arrendados al condado de Cook en agosto, [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 sintió que sería prudente ubicar una pila crítica (un reactor nuclear completamente funcional) en un sitio más remoto. Se comenzó a construir un edificio en Argonne para albergar la pila experimental de Fermi, con su finalización programada para el 20 de octubre. Debido a disputas 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 la pila experimental debajo de las gradas en 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 que una fusión nuclear catastrófica cubriera de productos de fisión radiactivos una de las principales áreas urbanas de los Estados Unidos. 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 golpean a 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 atrás 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 se produce 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 al 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 dependa únicamente de los neutrones instantáneos de las reacciones de fisión. Dado que la velocidad de liberación de estos neutrones depende de los eventos de fisión que tienen lugar algún tiempo antes, existe un retraso entre cualquier pico de potencia y el evento de criticidad posterior. Este tiempo les da margen a los operadores; si se ve un pico en el flujo de neutrones instantáneos, tienen varios minutos antes de que esto provoque una reacción descontrolada. Si se inyecta un absorbedor 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, según todas las normas del protocolo organizativo, yo debería haber llevado el asunto a mi superior, pero eso habría sido injusto. El presidente Hutchins no estaba en condiciones de emitir un juicio independiente sobre los riesgos que implicaba. Basándose en consideraciones sobre el bienestar de la Universidad, la única respuesta que podría haber dado habría sido no, y esa respuesta habría sido errónea. [74]
Compton informó a Groves de su decisión en la reunión del 14 de noviembre del Comité Ejecutivo del S-1. [72] Aunque Groves "tenía serias dudas sobre la sensatez de la sugerencia de Compton", no interfirió. [75] Se informó que James B. Conant , el presidente del NDRC, se puso pálido. Pero debido a la urgencia y a su confianza en los cálculos de Fermi, nadie se opuso. [76]
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El Chicago Pile-1 fue encerrado 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 con forma de cubo de 25 pies (7,6 m) era algo inusual, pero la clasificación de prioridad AAA del Proyecto Manhattan aseguró una entrega rápida sin hacer preguntas. [63] [77] Se utilizó un polipasto para colocarlo en su lugar, con la parte superior asegurada al techo y tres lados a las paredes. El lado restante, el que daba al balcón desde el que Fermi dirigía la operación, se enrolló como un toldo. Se dibujó un círculo en el suelo y el apilamiento de bloques de grafito comenzó la mañana del 16 de noviembre de 1942. [78] La primera capa colocada estaba compuesta completamente de bloques de grafito, sin uranio. Las capas sin uranio se alternaron 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 de día bajo la dirección de Zinn y un turno de noche bajo la dirección de Anderson. [80] Como fuerza de trabajo contrataron a treinta desertores de la escuela secundaria que estaban ansiosos por ganar algo de dinero antes de ser reclutados en el ejército. [81] Mecanizaron 45.000 bloques de grafito que encerraban 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 16,5 pulgadas (42 cm), cada una con un peso de 19 libras (8,6 kg). Se utilizó un torno para perforar agujeros de 3,25 pulgadas (8,3 cm) en los bloques para las barras de control y el uranio. Se utilizó una prensa hidráulica para dar forma al óxido de uranio en "pseudoesferas", cilindros con extremos redondeados. Las brocas debían afilarse después de cada 60 perforaciones, lo que equivalía a una vez por hora. [78] El polvo de grafito pronto llenó el aire y volvió resbaladizo el suelo. [74]
Otro grupo, bajo el mando de Volney C. Wilson, fue responsable de la instrumentación. [80] También fabricaron las barras de control , que eran láminas de cadmio clavadas a tiras de madera planas, siendo el cadmio un potente absorbente de neutrones, y la línea de parada , una cuerda de manila que, al cortarse, dejaba caer una barra de control en la pila y detenía la reacción. [81] Richard Fox, quien fabricó el mecanismo de la barra de control para la pila, comentó que el control de velocidad manual que tenía el operador sobre las barras era simplemente una resistencia variable , que controlaba un motor eléctrico que enrollaba el cable del tendedero sobre una polea que también tenía dos pesos de plomo unidos para garantizar que fallara a prueba de fallos y volviera a su posición cero cuando se soltara. [83]
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Se colocaron aproximadamente dos capas por turno. [78] El contador de neutrones de trifluoruro de boro de Woods se insertó en la capa 15. A partir de entonces, se tomaron lecturas al final de cada turno. [84] Fermi dividió el cuadrado del radio de la pila por la intensidad de la radiactividad para obtener una métrica que contara regresivamente hasta uno a medida que la pila se acercaba a la criticidad. En la capa 15, era 390; en la 19, era 320; en la 25, era 270 y en la 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 comenzaron a llegar 6 toneladas cortas (5,4 t) de uranio metálico muy puro del Proyecto Ames en la Universidad Estatal de Iowa , [85] donde Harley Wilhelm y su equipo habían desarrollado un nuevo proceso para producir uranio metálico. La planta de lámparas Westinghouse suministró 3 toneladas cortas (2,7 t), que produjo a toda prisa con un proceso improvisado. [86] [87]
Los cilindros de uranio metálico de 5,7 cm (2,25 pulgadas), 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 llenado del globo con dióxido de carbono no sería necesario y se podría prescindir de veinte capas. Según los nuevos cálculos de Fermi, la cuenta regresiva llegaría a 1 entre las capas 56 y 57. Por lo tanto, la pila resultante era más plana en la parte superior que en la inferior. [78] Anderson ordenó un alto después de colocar la capa 57. [88] Cuando se completó, el marco de madera sostenía una estructura de forma elíptica, de 6,1 m (20 pies) de alto, 1,8 m (6 pies) de ancho en los extremos y 7,6 m (25 pies) de ancho 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, con un coste estimado de 2,7 millones de dólares. [90]
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Al día siguiente, 2 de diciembre de 1942, todo el mundo se reunió para el experimento. Había 49 científicos presentes. [a] Aunque la mayoría del Comité Ejecutivo del S-1 estaba en Chicago, solo Crawford Greenewalt estaba 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 destinado a ser una plataforma de observación. [93] Samuel Allison estaba listo con un balde de nitrato de cadmio concentrado , que debía arrojar sobre la pila en caso de emergencia. La puesta en marcha comenzó a las 09:54. Walter Zinn quitó la cremallera, la varilla de control de emergencia y la aseguró. [93] [94] Norman Hilberry estaba listo con un hacha para cortar la línea de parada, lo que permitiría que la cremallera cayera bajo la influencia de la gravedad. [94] [95] Mientras Leona Woods gritaba en voz alta el recuento del detector de trifluoruro de boro, George Weil , el único que estaba en el suelo, retiró todas las barras de control menos una. A las 10:37, Fermi ordenó a Weil que retirara todas las barras de control menos 13 pies (4,0 m). Weil las retiró 6 pulgadas (15 cm) a la vez, y se tomaron medidas en cada paso. [93] [94]
El proceso se detuvo abruptamente cuando la barra de control automática 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. [93] Weil trabajó con la última barra de control mientras Fermi monitoreaba cuidadosamente la actividad de neutrones. Fermi anunció que la pila había alcanzado un punto crítico (alcanzó una reacción autosostenida) a las 15:25. Fermi cambió la escala de la grabadora para acomodar la corriente eléctrica que aumentaba rápidamente del 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 abriera la cremallera. La reacción se detuvo rápidamente. [97] [94] La pila había funcionado durante unos 4,5 minutos a unos 0,5 vatios. [98] Wigner abrió una botella de Chianti , que bebieron en vasos de papel. [99]
Compton se lo comunicó a Conant por teléfono. La conversación se desarrolló en un código improvisado:
Compton: El navegante italiano ha desembarcado en el Nuevo Mundo.
Conant: ¿Cómo estaban los nativos?Compton: Muy amigable. [100]
El 12 de diciembre de 1942, la potencia de salida del CP-1 se incrementó a 200 W, suficiente para alimentar una bombilla. Al carecer de protección de cualquier tipo, era un peligro de radiación para todos los que se encontraban en las inmediaciones, y se continuaron las pruebas a 0,5 W. [101] La operación finalizó el 28 de febrero de 1943, [102] y la pila se desmanteló y se trasladó al Sitio A en el Bosque Argonne, ahora conocido como Red Gate Woods . [103] [104] Allí, los materiales originales se utilizaron para construir Chicago Pile-2 (CP-2). En lugar de ser esférico, el nuevo reactor se construyó con 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 de espesor que actuaban como blindaje contra la radiación , con protección superior de 15 cm de plomo y 130 cm 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 solo funcionaba a unos pocos kilovatios. El CP-2 entró en funcionamiento en marzo de 1943, con una 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 le unió 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 utilizaban para realizar investigaciones relacionadas con las armas, como las investigaciones sobre las propiedades del tritio . Los experimentos en tiempos de guerra incluían la medición de la sección transversal de absorción de neutrones de elementos y compuestos. Albert Wattenberg recordó que se estudiaban unos 10 elementos cada mes y 75 en el transcurso de un año. [109] Un accidente con radio y polvo de berilio provocó una peligrosa caída 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 realizaron experimentos sobre los efectos de las sustancias radiactivas en animales de prueba de laboratorio. [69]
Aunque el diseño se mantuvo en secreto durante una década, Szilard y Fermi lo patentaron conjuntamente, con fecha de presentación inicial el 19 de diciembre de 1944 como reactor neutrónico número 2.708.656. [110] [111] [112]
El bosque 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 que se cerraran el 15 de mayo de 1954. [69] Su combustible utilizable restante fue transferido a Chicago Pile-5 en el nuevo sitio del Laboratorio Nacional Argonne 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 alto nivel, como combustible y agua pesada, se enviaron a Oak Ridge, Tennessee , para su eliminación. El resto fue revestido de hormigón y enterrado en una zanja de 12 m de profundidad en lo que hoy se conoce como el vertedero del Sitio A/Lote M. Está marcado con una piedra conmemorativa. [69]
En la década de 1970, la preocupación pública por los niveles de radiactividad en el sitio, que los residentes locales utilizaban para actividades recreativas, aumentó. En los estudios realizados en la década de 1980 se encontraron estroncio-90 en el suelo de la parcela M, trazas de tritio en pozos cercanos y plutonio, tecnecio, cesio y uranio en la zona. En 1994, el Departamento de Energía de los Estados Unidos y el Laboratorio Nacional Argonne cedieron a la presión pública y destinaron 24,7 millones de dólares 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 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 ahora siguió adelante con su diseño para un reactor de producción refrigerado por agua. Todavía existían 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] Un reactor refrigerado por aire, el Reactor de Grafito X-10 , se construyó en Clinton Engineer Works en Oak Ridge como parte de una semifábrica de plutonio, [115] seguido por reactores de producción refrigerados por agua más grandes en Hanford Site en el estado de Washington . [116] Se produjo suficiente plutonio para una bomba atómica en julio de 1945, y para dos más en agosto. [117]
El 2 de diciembre de 1952, con ocasión del décimo aniversario de la puesta en servicio del CP-1, se inauguró una placa conmemorativa en Stagg Field. [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 occidentales en agosto de 1957. [120] El sitio del 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, se agregó inmediatamente a él también. [1] El sitio también fue nombrado Monumento Histórico 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 afuera de la Biblioteca Regenstein en el antiguo sitio de la cancha de raquetas de las gradas de observación del oeste. [2] Se inauguró el 2 de diciembre de 1967 para conmemorar el 25 aniversario del CP-1 en estado crítico. Las placas conmemorativas de 1952, 1965 y 1967 están cerca. [119] Un bloque de grafito del CP-1 se puede ver en el Museo de Ciencias Bradbury en Los Álamos, Nuevo México ; otro está en exhibición en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago. [122] El 2 de diciembre de 2017, el 75 aniversario, el Instituto Tecnológico de Massachusetts , al restaurar una pila de grafito de investigación, similar en diseño a la Pila 1 de Chicago, insertó ceremonialmente las últimas barras de uranio. [123]
