Un calutron es un espectrómetro de masas diseñado y utilizado originalmente para separar los isótopos de uranio . Fue desarrollado por Ernest Lawrence durante el Proyecto Manhattan y se basó en su invención anterior, el ciclotrón . Su nombre se deriva de Cyclotron de la Universidad de California, en homenaje a la institución de Lawrence, la Universidad de California , donde se inventó. Se utilizaron calutrones en la planta de enriquecimiento de uranio Y-12 a escala industrial en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee . El uranio enriquecidoproducido se utilizó en la bomba atómica Little Boy que fue detonada sobre Hiroshima el 6 de agosto de 1945.
El calutron es un tipo de espectrómetro de masas sectorial , un instrumento en el que una muestra es ionizada y luego acelerada por campos eléctricos y desviada por campos magnéticos . Los iones finalmente chocan con una placa y producen una corriente eléctrica medible . 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 ubicaciones. La masa de los iones se puede calcular de acuerdo con la fuerza del campo y la carga de los iones. Durante la Segunda Guerra Mundial, los calutrones se desarrollaron para utilizar este principio para 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 permanecieron en uso para producir muestras enriquecidas isotópicamente de elementos naturales con fines militares, científicos y médicos.
Orígenes
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 traída a los Estados Unidos por Niels Bohr . [1] Basado en su modelo de gota líquida 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 de 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 confirmar que Bohr estaba en lo cierto. [3] [4] Leo Szilard y Walter Zinn pronto confirmaron que se liberó más de un neutrón por fisión, lo que hizo casi seguro que se podría iniciar una reacción en cadena nuclear y, por lo tanto, que el desarrollo de una bomba atómica era una posibilidad teórica. . [5] Se temía que un proyecto de bomba atómica alemán 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 alienígenas enemigos les impedía trabajar en proyectos secretos como el radar. . [7] Su memorando de Frisch-Peierls de marzo de 1940 indicó que la masa crítica de uranio-235 estaba dentro de un orden de magnitud de 10 kg, que era lo suficientemente pequeña para ser transportada por un bombardero del día. [8] El Comité Maud británico recomendó unánimemente continuar con el desarrollo de una bomba atómica. [9] Gran Bretaña se había ofrecido a dar acceso a Estados Unidos 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. Estos incluyen Ernest Lawrence en la Universidad de California 's Laboratorio de Radiación 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 un 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 había utilizado Nier. [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 contraparte estadounidense, la Sección S-1 de la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD), habían pasado por alto el método electromagnético era que, si bien el espectrómetro de masas era capaz de separar isótopos, producía muy rendimientos bajos. [17] La razón de esto fue la llamada limitación de carga espacial . Los iones positivos tienen carga positiva, por lo que tienden a repelerse entre sí, lo que hace que el rayo se disperse. A partir de su experiencia con el control preciso de los haces de partículas cargadas de 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 en Berkeley fue desmantelado el 24 de noviembre de 1941 y su imán se utilizó para crear el primer calutron. [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 de la Research Corporation . En diciembre, Lawrence recibió una subvención de 400.000 dólares del Comité de Uranio S-1. [20] El calutron consistía en una fuente de iones, en forma de caja con una hendidura y filamentos calientes en su interior. El filamento ionizó tetracloruro de uranio y luego pasó a través de una ranura de 0,04 por 2 pulgadas (1,0 por 50,8 mm) a una cámara de vacío. A continuación, se utilizó el imán para desviar el haz de iones en 180 °. Las vigas enriquecidas y agotadas entraron en colectores. [21] [22]
Cuando el calutron se operó 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 de haz de uranio de 5 microamperios (μA). Se confirmó la corazonada de Lawrence sobre el efecto de las moléculas de aire en la cámara de vacío. Una corrida de nueve horas el 14 de enero de 1942 con un haz de 50 μA produjo 18 microgramos (μg) de uranio enriquecido en un 25% de uranio 235, aproximadamente diez veces más de lo que había producido Nier. 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% al Laboratorio Británico y Metalúrgico de Chicago. [22]
Otros investigadores también investigaron la separación de isótopos electromagnéticos. En la Universidad de Princeton , un grupo dirigido por Henry D. Smyth y Robert R. Wilson desarrolló un dispositivo conocido como isotrón. Usando un klystron , pudieron separar isótopos usando 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 se trasladó a otras funciones. [18] En la Universidad de Cornell, un grupo de Lloyd P. Smith que incluía a William E. Parkins y A. Theodore Forrester ideó un separador magnético radial. Se sorprendieron de que sus rayos fueran más precisos de lo esperado y, como Lawrence, dedujeron que era el resultado de la estabilización del rayo por aire en la cámara de vacío. En febrero de 1942, su equipo se consolidó con el de Lawrence en Berkeley. [24] [25]
Investigar
Si bien se ha demostrado que el proceso funciona, todavía se requiere un esfuerzo considerable antes de que se pueda 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 los físicos australianos Harrie Massey y Eric Burhop , y físicos británicos como Joan Curran y Thomas Allibone . [29] [30]
Lawrence tenía un ciclotrón grande en construcción en Berkeley, uno con un imán de 470 cm (184 pulgadas). [31] Esto se convirtió en un calutron 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 cuando se veía desde arriba. El operador se sentó 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 funcionando. El nuevo y más poderoso calutron no se usó 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 minimizó la interferencia, lo que resultó en la producción de haces razonablemente buenos. Robert Oppenheimer y Stan Frankel inventaron la cuña magnética , un dispositivo que se utiliza 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 calzas fue aumentar ligeramente el campo magnético de tal manera que ayudara a enfocar el haz de iones. El trabajo continuaría en las calzas 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 más tarde las características de las descargas eléctricas en campos magnéticos, hoy conocida como difusión de Bohm . Sus artículos sobre las propiedades de los plasmas sometidos a 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, durante muchas horas de funcionamiento, aún podían derretir los colectores. Por lo tanto, se agregó 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 ranuras por "suciedad", lo que provocó que los haces de iones perdieran el foco o se detuvieran por completo. [39]
Los químicos tuvieron que encontrar una forma de producir cantidades de tetracloruro de uranio ( UCl
4) de óxido de uranio . [40] (Nier había usado bromuro de uranio.) [41] Inicialmente, lo producían 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
4O
10). La presencia de fosgeno, un gas letal, requirió que los químicos usaran máscaras de gas al manipularlo. [40]
De los $ 19,6 millones gastados en investigación y desarrollo del proceso electromagnético, $ 18 millones (92 por ciento) se gastaron en el Laboratorio de Radiación en Berkeley, y se realizaron más trabajos en la Universidad 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 los trabajadores para operar las instalaciones de producción en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee . A mediados de 1944, había cerca de 1200 personas trabajando en el Laboratorio de Radiación. [43]
Diseño
Gran parte del gran progreso en el proceso electromagnético se puede atribuir al estilo de liderazgo de Lawrence. Su audacia, optimismo y entusiasmo fueron contagiosos. Su personal dedicó muchas horas y los administradores de la Universidad de California cortaron 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 , el 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, según las 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 calutron llamado XA. Contenía un imán rectangular de tres bobinas con un campo horizontal en el que los tanques de calutron podían colocarse uno al lado del otro, con cuatro tanques de vacío, cada uno con una fuente doble. [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 las otras instalaciones del Proyecto Manhattan Estar ubicado, por razones de economía y seguridad. Lawrence presentó una objeción debido a su deseo de tener la planta de separación electromagnética ubicada 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, momento en el cual Lawrence había abandonado su objeción. [49] La reunión del 25 de junio también designó a Stone & Webster como el 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 1 Mayo de 1943. [52] El Mayor Thomas T. Crenshaw, Jr., se convirtió en Ingeniero de 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 en Berkeley. [46] Los informes indicaron que, en comparación con las alternativas de una planta de difusión gaseosa o un reactor nuclear de producción de plutonio , una planta electromagnética llevaría más tiempo y requeriría más materiales 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 aún enfrentaban considerables obstáculos técnicos, se demostró que el proceso electromagnético funcionaba y podía construirse en etapas que comenzarían a producir material fisible de inmediato. [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 remitió los diseños preliminares para una planta de producción a Stone & Webster antes de fin de año, pero quedaba por resolver un tema importante. Oppenheimer sostuvo que el uranio apto para armas tendría que ser un 90% de uranio 235 puro. Edward Lofgren y Martin Kamen pensaron que esto no se podría lograr 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 pistas de carreras Alpha más, que se conocieron como Alpha II, junto con dos pistas de carreras Beta más para procesar su producto. [39] [58]
Construcción
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 importantes y otras 200 estructuras que cubren casi 80 acres (32 ha) de espacio de piso. El sitio de 825 acres (334 ha) en Bear Creek Valley al suroeste del municipio de Oak Ridge se seleccionó con la esperanza de que las líneas de la cordillera circundante pudieran contener una explosión importante o un accidente nuclear. [59] Los problemas con el sustrato requirieron que los equipos de excavación realizaran más voladuras y excavaciones para proporcionar cimientos adecuados para la maquinaria pesada en las instalaciones. [60]
Suministros y materiales de todo tipo vertidos en: 2.157 vagones de equipo eléctrico, 1.219 de equipo pesado, 5.389 de madera aserrada, 1.407 de tubería 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 listos para usar, pero demasiados componentes de los calutrones eran únicos. [61] Se establecieron dos departamentos de compras, uno en Boston cerca de Stone & Webster para equipos de instalación 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 escaseaba desesperadamente. . Sin embargo, se dieron cuenta de que se podía sustituir la plata , en una proporción de 11:10. El 3 de agosto de 1942, Nichols se reunió con el subsecretario del Tesoro , Daniel W. Bell , y pidió 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 es eso?", Preguntó. De hecho, yo no sabía cómo 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, esa 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 onzas troy) de plata, [64] por un valor de más de $ 1 mil millones. [65] Nichols tuvo que proporcionar una contabilidad mensual al Tesoro. Las barras de plata de 1000 onzas troy (31 kg) se llevaron bajo vigilancia a la Defense Plant Corporation en Carteret, Nueva Jersey , donde se fundieron en palanquillas cilíndricas, y luego a Phelps Dodge en Bayway, Nueva Jersey , donde se extruyeron. en tiras de 0,625 pulgadas (15,9 mm) de espesor, 3 pulgadas (7,6 cm) de ancho y 40 pies (12 m) de largo. Unos 258 vagones cargados se enviaron bajo vigilancia por ferrocarril a Allis-Chalmers en Milwaukee, Wisconsin , donde se enrollaron en bobinas magnéticas y se sellaron 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 tenían que perforarlo, lo hacían sobre papel para poder recoger las limaduras. Después de la guerra, toda la maquinaria fue desmantelada y limpiada y las tablas del piso debajo de la maquinaria se rompieron y se quemaron para recuperar pequeñas cantidades de plata. Al final, solo se perdió 1 / 3.600.000. [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 siguió de forma agresiva. El primer edificio del proceso Alpha, 9201-1, se completó el 1 de noviembre de 1943. Cuando se puso en marcha la primera pista de carreras para las pruebas según lo programado 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 sujetarse de forma más segura. Surgió un problema más serio cuando las bobinas magnéticas comenzaron a cortocircuitarse. En diciembre, Groves ordenó que se abriera un imán y se encontraron puñados de óxido en el interior. La humedad también era un problema por derecho propio, al igual que el enrollamiento del cable, que estaba demasiado apretado. Groves ordenó que se derribaran las pistas de carreras y que los imanes se enviaran de regreso a la fábrica para ser limpiados y rebobinados. [62] [70] Se instituyeron normas rígidas de preparación y limpieza para evitar la repetición de estos problemas. [71]
El entrenamiento para las pistas Beta cambió de la 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 el cuarto hipódromo Alpha en abril de 1944. Un tercer edificio, 9201-3, contenía un quinto hipódromo que incorporó algunas modificaciones y se conocía como Alpha I 1 ⁄ 2 . Este entró en funcionamiento el 3 de junio de 1944. El trabajo en los edificios de química Alfa y Beta, 9202 y 9203, comenzó en febrero de 1943 y se completó 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 9206 abrió, el antiguo edificio de química Beta, 9203, se convirtió en un laboratorio. El trabajo en los nuevos edificios del proceso Alpha II comenzó 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 se configuraron en un diseño lineal en lugar de un óvalo, aunque todavía se llamaban pistas de carreras. [73] [74] [75] En total, había 864 calutrones Alfa, dispuestos en nueve pistas de 96 de carreras. Sólo había 36 calutrones en cada pista de carreras Beta, para un total de 288 calutrones, aunque solo 216 de ellos fueron operados. . [57]
El trabajo en el nuevo edificio del 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. Un tercer edificio del proceso Beta, 9204-3, fue autorizado en mayo de 1944 para procesar el producción de la planta de difusión gaseosa K-25 . Se completó el 15 de mayo de 1945. El 2 de abril de 1945 se autorizó un cuarto edificio de proceso Beta, el 9204-4, que se completó el 1 de diciembre de 1945. En junio de 1944 se inauguró un nuevo grupo de edificios de química Alpha conocido como el grupo 9207. pero el trabajo se detuvo en junio de 1945 antes de que se completaran. Junto a estos edificios principales, se encontraban oficinas, talleres, almacenes y otras estructuras. Había dos plantas de vapor para calefacción y una planta de energía eléctrica. [75] [73]
Operaciones
Las pistas de carreras Alpha eran un aumento de 24 veces del calutron XA que podía contener 96 tanques calutron Alpha. Los calutrones estaban erguidos y dispuestos uno frente al otro en pares de máquinas internas y externas. Para minimizar las pérdidas magnéticas y economizar en el consumo de acero, el conjunto se curvó en una forma ovalada que formaba un circuito 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, cada uno contenía dos hipódromos, 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 contenedores de proceso en lugar de 96. Las cuatro pistas de carreras 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 con 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 cambió 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, los aprendices no fueron informados del propósito del equipo que se les enseñó a operar. [77] [78]
Los calutrones fueron operados inicialmente por científicos de Berkeley para eliminar insectos 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 a sus doctorados. Estuvieron de acuerdo en una carrera de producción y Lawrence perdió, un impulso moral para las " Chicas Calutron " (llamadas Operadoras de Cubículos en ese momento) y sus supervisores. Las mujeres fueron adiestradas como soldados para no razonar por qué, mientras que "los científicos no pudieron abstenerse de una investigación que consumía mucho tiempo sobre la causa de fluctuaciones incluso menores de los diales". [79]
Durante un tiempo, los calutrons sufrieron una serie de averías debilitantes y fallas de equipos, agravadas 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 Alamos del Proyecto Manhattan se realizaron en marzo de 1944, y consistieron en un producto Alpha enriquecido con un 13 a 15 por ciento de uranio 235. Si bien no es útil 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 para armas , enriquecido hasta en un 89% de uranio-235. [77] [80]
Un problema importante fue el de la pérdida de material y producto de alimentación. Solo una parte de cada 5.825 del material de alimentación se convirtió en producto terminado. Aproximadamente el 90 por ciento se salpicó sobre las botellas de alimentación o los tanques de vacío. El problema fue particularmente agudo con la alimentación enriquecida de los calutrones Beta. Se hicieron esfuerzos extraordinarios para recuperar el producto, incluida la quema de los revestimientos del receptor de carbono para recuperar el uranio que contienen. A pesar de todo, se perdió un 17,4% del producto Alpha y un 5,4% 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 motivó la búsqueda de un proceso de producción más seguro. [40]
En febrero de 1945, la planta de difusión térmica líquida S-50 comenzó a llegar material de alimentación de uranio 235 ligeramente enriquecido al 1,4 por ciento . Los envíos de producto de S-50 se interrumpieron en abril. En su lugar, se alimentó producto S-50 a 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 fue 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 los hipódromos Beta. A continuación, el producto Alpha restante se alimentó a 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 resultaron 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]
Sitio | Costo (1946 USD) | Costo (2020 USD) | % del total |
---|---|---|---|
Construcción | $ 304 millones | $ 4.03 mil millones | 53% |
Operaciones | $ 240 millones | $ 3,19 mil millones | 41,9% |
Investigar | $ 19.6 millones | $ 261 millones | 3,4% |
Diseño | $ 6.63 millones | $ 88 millones | 1,2% |
Programa Plata | $ 2,48 millones | $ 32,9 millones | 0,4% |
Total | $ 573 millones | $ 7,6 mil millones |
Con el fin de la guerra, las orugas 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 pistas Beta entraron en pleno funcionamiento en noviembre y diciembre de 1945, procesando la alimentación de 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 costo total del proyecto electromagnético hasta el final del Proyecto Manhattan el 31 de diciembre de 1946 fue de $ 673 millones (equivalente a $ 8,93 mil millones en 2020). [86]
Años de posguerra
La fuerza laboral en Y-12 cayó de un pico de guerra de 22,482 el 21 de agosto de 1945 a menos de 1,700 en 1949. [69] Todos los calutrones fueron removidos y desmantelados, excepto las pistas de entrenamiento XAX y XBX en el Edificio 9731, y la Beta 3 hipódromos 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 usar 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 médicos y científicos pacíficos. [92] Los hipódromos Beta 3 se transfirieron 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 de origen natural, excepto los del 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 los Estados Unidos, la Unión Soviética (URSS) llevó a cabo una investigación sobre múltiples tecnologías de enriquecimiento para el proyecto de la bomba atómica soviética . En 1946 se llevó a cabo un proceso electromagnético de prueba con un calutrón utilizando un imán tomado de Alemania. Se eligió un sitio para una planta electromagnética en Sverdlovsk-45 en 1946. 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 doblaban 225 ° en lugar de 180 ° como en el calutron 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 en aproximadamente un 40 por ciento de uranio-235 se llevó a Sverdlovsk-45 para su enriquecimiento final entre el 92 y el 98 por ciento. Después de que los problemas con el proceso de difusión gaseosa se resolvieron en 1950, se decidió no continuar con una planta electromagnética a gran escala. [96] [97] Desde 2009[actualizar], permanece operativo. [91] En 1969, se construyó un calutron 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 1945, el proyecto de la bomba atómica británica construyó un calutron de 180 °, similar en diseño a un calutron Beta estadounidense, en el Atomic Energy Research Establishment en Harwell, Oxfordshire . Debido al éxito de la planta de difusión gaseosa en Capenhurst , el Reino Unido no buscó la separación electromagnética y el calutrón se utilizó para separar isótopos con fines de investigación. El diseño de 180 ° no era ideal para este propósito, por lo que Harwell construyó un calutron de 90 °, HERMES, el "Separador electromagnético de elementos pesados y materiales radiactivos". [100] Se inspiró en los separadores SIDONIE y PARIS de Francia en el Laboratoire René Bernas de la Universidad de París IX en Orsay , y PARSIFAL en el laboratorio de investigación militar de las alternativas Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies en Bruyères-le- Châtel . [101] [102] 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 hay CERN 's Separador detector en línea de isótopos (de ISOLDE), que fue construido en 1967. [103] de investigación y producción calutrones Cuatro fueron construidos en el Instituto Chino de Energía Atómica en Beijing del diseño idénticas a las de la URSS en principios de la década de 1960. [104] [105] [106] Se utilizó un calutrón en el Instituto de Física Nuclear de Saha en Bidhan Nagar en la 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 siguiendo un programa de 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] 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. [110] En consecuencia, el Grupo de Suministradores Nucleares añadió el equipo de separación electromagnética a sus directrices para la transferencia de equipo, material y tecnología de doble uso relacionados con la energía nuclear. [111] [112]
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enlaces externos
- Medios relacionados con Calutron en Wikimedia Commons