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Para otros usos, consulte K25 (desambiguación) .

Coordenadas : 35 ° 55′56 ″ N 84 ° 23′42 ″ W / 35.93222°N 84.39500°W / 35.93222; -84.39500

Vista aérea del edificio K-25 de la Planta de Difusión Gaseosa de Oak Ridge, mirando al sureste. El edificio de una milla de largo, en forma de "U", fue demolido por completo en 2013.

K-25 fue el nombre en clave dado por el Proyecto Manhattan al programa para producir uranio enriquecido para bombas atómicas utilizando el método de difusión gaseosa . Originalmente el nombre en clave para el producto, con el tiempo pasó a referirse al proyecto, la instalación de producción ubicada en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee , el edificio principal de difusión gaseosa y, en última instancia, el sitio. Cuando se construyó en 1944, la planta de difusión gaseosa K-25 de cuatro pisos era el edificio más grande del mundo, con más de 1,640,000 pies cuadrados (152,000 m 2 ) de espacio de piso y un volumen de 97,500,000 pies cúbicos (2,760,000 m 3 ).

La construcción de la instalación K-25 fue realizada por JA Jones Construction . En el apogeo de la construcción, más de 25.000 trabajadores estaban empleados en el sitio. La difusión gaseosa fue solo una de las tres tecnologías de enriquecimiento utilizadas por el Proyecto Manhattan. El producto ligeramente enriquecido de la planta de difusión térmica S-50 se introdujo en la planta de difusión gaseosa K-25. Su producto, a su vez, se introdujo en la planta electromagnética Y-12 . El uranio enriquecido se utilizó en la bomba atómica Little Boy utilizada en el bombardeo atómico de Hiroshima . En 1946, la planta de difusión gaseosa K-25 se volvió capaz de producir un producto altamente enriquecido.

Después de la guerra, se agregaron al sitio cuatro plantas de difusión gaseosa más llamadas K-27, K-29, K-31 y K-33. El sitio K-25 pasó a llamarse Planta de Difusión Gaseosa Oak Ridge en 1955. La producción de uranio enriquecido terminó en 1964, y la difusión gaseosa finalmente cesó en el sitio el 27 de agosto de 1985. La Planta de Difusión Gaseosa Oak Ridge pasó a llamarse Oak Ridge K- 25 en 1989, y el Parque Tecnológico de East Tennessee en 1996. La demolición de las cinco plantas de difusión gaseosa se completó en febrero de 2017. A partir de marzo de 2021, el sitio K-25 se está reconstruyendo para convertirlo en un aeropuerto público para la ciudad de Oak Ridge. .

Antecedentes [ editar ]

El descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932, [1] seguido del de la fisión nuclear en uranio por los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1938, [2] y su explicación teórica (y denominación) por Lise Meitner y Otto Frisch poco después, [3] abrió la posibilidad de una reacción nuclear en cadena controlada con uranio. En los Laboratorios Pupin de la Universidad de Columbia , Enrico Fermi y Leo Szilardcomenzó a explorar cómo se podría lograr esto. [1] En la carta de Einstein-Szilard al presidente de los Estados Unidos , Franklin D. Roosevelt , se expresaron los temores de que un proyecto de bomba atómica alemán desarrollaría primero armas atómicas, especialmente entre los científicos que eran refugiados de la Alemania nazi y otros países fascistas. . Esto llevó a Roosevelt a iniciar una investigación preliminar a fines de 1939. [4]

Niels Bohr y John Archibald Wheeler aplicaron el modelo de gota líquida del núcleo atómico para explicar el mecanismo de la fisión nuclear. [5] Mientras los físicos experimentales estudiaban la fisión, descubrieron resultados desconcertantes. George Placzek le preguntó a Bohr por qué el uranio parecía fisionarse con neutrones rápidos y lentos. Al dirigirse a una reunión con Wheeler, Bohr tuvo la idea de que la fisión a bajas energías se debía al isótopo uranio-235 , mientras que a altas energías se debía principalmente al isótopo uranio-238, mucho más abundante . [6]El primero constituye sólo el 0,714 por ciento de los átomos de uranio en el uranio natural, aproximadamente uno de cada 140; [7] El uranio natural es 99,28 por ciento de uranio-238. También hay una pequeña cantidad de uranio-234 , que representa solo el 0,006 por ciento. [8]

En Columbia, John R. Dunning creía que este era el caso, pero Fermi no estaba tan seguro. La única forma de resolver esto era obtener una muestra de uranio-235 y probarlo. [1] Consiguió que Alfred OC Nier de la Universidad de Minnesota preparara muestras de uranio enriquecidas en uranio-234, 235 y 238 usando un espectrómetro de masas . Estos estaban listos en febrero de 1940, y Dunning, Eugene T. Booth y Aristid von Grosse llevaron a cabo una serie de experimentos. Demostraron que el uranio-235 era de hecho el principal responsable de la fisión con neutrones lentos, [9] pero no pudieron determinar la captura precisa de neutrones. cortes transversales porque sus muestras no estaban suficientemente enriquecidas. [10] [11] [12]

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. . [13] 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 kilogramos (22 libras), que era lo suficientemente pequeña para ser transportada por un avión bombardero de la época. [14]

Difusión gaseosa [ editar ]

Artículo principal: Difusión gaseosa
La difusión gaseosa utiliza membranas semipermeables para separar el uranio enriquecido.
Las etapas se conectan entre sí para formar una cascada. A, B y C son bombas.

En abril de 1940, Jesse Beams , Ross Gunn , Fermi, Nier, Merle Tuve y Harold Urey tuvieron una reunión en la Sociedad Estadounidense de Física en Washington, DC En ese momento, la perspectiva de construir una bomba atómica parecía difusa e incluso de crear una cadena. la reacción probablemente requeriría uranio enriquecido. Por lo tanto, recomendaron que se llevara a cabo una investigación con el objetivo de desarrollar los medios para separar cantidades en kilogramos de uranio-235. [15] En un almuerzo el 21 de mayo de 1940, George B. Kistiakowsky sugirió la posibilidad de utilizar la difusión gaseosa . [dieciséis]

La difusión gaseosa se basa en la ley de Graham , que establece que la velocidad de efusión de un gas a través de una barrera porosa es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa molecular del gas . En un recipiente con una barrera porosa que contiene una mezcla de dos gases, las moléculas más ligeras saldrán del recipiente más rápidamente que las moléculas más pesadas. El gas que sale del recipiente se enriquece ligeramente en las moléculas más ligeras, mientras que el gas residual se agota ligeramente. [17] Un recipiente en el que el proceso de enriquecimiento se realiza mediante difusión gaseosa se denomina difusor . [18]

La difusión gaseosa se había utilizado antes para separar isótopos. Francis William Aston lo había usado para separar parcialmente isótopos de neón en 1931, y Gustav Ludwig Hertz había mejorado el método para separar casi por completo el neón al ejecutarlo en una serie de etapas. En los Estados Unidos, William D. Harkins lo había utilizado para separar el cloro . Kistiakowsky estaba familiarizado con el trabajo de Charles G. Maier en la Oficina de Minas , quien también había utilizado el proceso para separar gases. [dieciséis]

Hexafluoruro de uranio ( UF
6) fue el único compuesto conocido de uranio suficientemente volátil para ser utilizado en el proceso de difusión gaseosa. [17] Antes de que esto pudiera hacerse, los Laboratorios de Materiales Aleados Especiales (SAM) de la Universidad de Columbia y la Corporación Kellex tuvieron que superar formidables dificultades para desarrollar una barrera adecuada. Afortunadamente, el flúor consta de un solo isótopo19
F , de modo que la  diferencia del 1 por ciento en pesos moleculares entre235
UF
6 y 238
UF
6se debe únicamente a la diferencia de peso de los isótopos de uranio. Por estas razones, UF
6fue la única opción como materia prima para el proceso de difusión gaseosa. [19] El hexafluoruro de uranio, un sólido a temperatura ambiente, se sublima a 56,5 ° C (133,7 ° F) a 1 atmósfera estándar (100 kPa). [20] [21] Aplicando la ley de Graham al hexafluoruro de uranio:

dónde:

La tasa 1 es la tasa de derrame de 235 UF 6 .
La tasa 2 es la tasa de derrame de 238 UF 6 .
M 1 es la masa molar de 235 UF 6 ≈ 235 + 6 × 19 = 349  g · mol −1
M 2 es la masa molar de 238 UF 6 ≈ 238 + 6 × 19 = 352  g · mol −1

El hexafluoruro de uranio es una sustancia muy corrosiva . Es un oxidante [22] y un ácido de Lewis que puede unirse al fluoruro . [23] Reacciona con el agua para formar un compuesto sólido y es muy difícil de manipular a escala industrial. [19]

Organización [ editar ]

Booth, Dunning y von Grosse investigaron el proceso de difusión gaseosa. En 1941, se les unieron Francis G. Slack de la Universidad de Vanderbilt y Willard F. Libby de la Universidad de California . En julio de 1941, se otorgó un contrato a la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD) a la Universidad de Columbia para estudiar la difusión gaseosa. [9] [24] Con la ayuda del matemático Karl P. Cohen , construyeron una planta piloto de difusión gaseosa de doce etapas en los Laboratorios Pupin. [25] Las pruebas iniciales mostraron que las etapas no eran tan eficientes como sugeriría la teoría; [26]necesitarían unas 4.600 etapas para enriquecer hasta un 90 por ciento de uranio-235. [17]

El edificio Woolworth en Manhattan albergaba las oficinas de Kellex Corporation y el área de Nueva York del distrito de Manhattan

Un contrato secreto fue adjudicado a MW Kellogg para estudios de ingeniería en julio de 1941. [9] [24] Esto incluyó el diseño y construcción de una planta piloto de difusión gaseosa de diez etapas. El 14 de diciembre de 1942, el Distrito de Manhattan , el componente del Ejército de los EE. UU. Del Proyecto Manhattan, cuando se conoció el esfuerzo por desarrollar una bomba atómica, contrató a Kellogg para diseñar, construir y operar una planta de producción a gran escala. Inusualmente, el contrato no requería ninguna garantía de Kellogg de que realmente pudiera cumplir con esta tarea. Debido a que el alcance del proyecto no estaba bien definido, Kellogg y el Distrito de Manhattan acordaron posponer cualquier detalle financiero a un contrato posterior de costo más beneficio., que fue ejecutado en abril de 1944. Kellogg recibió entonces $ 2,5 millones. [25]

Por razones de seguridad, el Ejército hizo que Kellogg estableciera una subsidiaria de propiedad total, la Kellex Corporation , para que el proyecto de difusión gaseosa pudiera mantenerse separado de otros trabajos de la compañía. [25] "Kell" significaba "Kellogg" y "X" significaba secreto. [27] Kellex operaba como una entidad autónoma y autónoma. Percival C. Keith, vicepresidente de ingeniería de Kellogg, [27] fue puesto a cargo de Kellex. Recurrió mucho a Kellogg para dotar de personal a la nueva empresa, pero también tuvo que contratar personal externo. Finalmente, Kellex tendría más de 3.700 empleados. [25]

Dunning permaneció a cargo en Columbia hasta el 1 de  mayo de 1943, cuando el distrito de Manhattan asumió el contrato de OSRD. En ese momento, el grupo de Slack tenía casi 50 miembros. El suyo era el grupo más grande y estaba trabajando en el problema más desafiante: el diseño de una barrera adecuada a través de la cual el gas pudiera difundirse. Otros 30 científicos y técnicos estaban trabajando en otros cinco grupos. Henry A. Boorse fue el responsable de las bombas; Stand para las unidades de prueba en cascada. Libby se encargó de la química, el trabajo analítico de Nier y Hugh C. Paxton, el apoyo de ingeniería. [28] El Ejército reorganizó el esfuerzo de investigación en Columbia, que se convirtió en Laboratorios de Materiales Aleados Especiales (SAM). Urey fue puesto a cargo y Dunning se convirtió en jefe de una de sus divisiones. [25]Permanecería así hasta el 1 de  marzo de 1945, cuando Union Carbide se hizo cargo de los Laboratorios SAM . [29]

La expansión de los Laboratorios SAM llevó a la búsqueda de más espacio. La Universidad de Columbia compró el Nash Garage Building en 3280 Broadway . Originalmente un concesionario de automóviles, estaba a solo unas cuadras del campus. El mayor Benjamin K. Hough Jr. era el ingeniero del área de Columbia del distrito de Manhattan y también trasladó sus oficinas aquí. [25] [30] Kellex estaba en el edificio Woolworth en 233 Broadway en el Bajo Manhattan. En enero de 1943, el teniente coronel James C. Stowers fue nombrado ingeniero de área de Nueva York, con la responsabilidad de todo el proyecto K-25. Su pequeño personal, inicialmente de 20 militares y civiles, pero que gradualmente creció a más de 70, estaba ubicado en el edificio Woolworth. El distrito de Manhattan tenía sus oficinas cerca en 270 Broadway hasta que se trasladó a Oak Ridge, Tennessee , en agosto de 1943. [25] [30]

Nombre en clave [ editar ]

El nombre en clave "K-25" era una combinación de la "K" de Kellex y "25", una designación en clave de la era de la Segunda Guerra Mundial para el uranio-235 (un isótopo del elemento 92, número de masa 235). El término se utilizó por primera vez en los informes internos de Kellex para el producto final, uranio enriquecido, en marzo de 1943. En abril de 1943, el término "planta K-25" se estaba utilizando para la planta que la creó. Ese mes, el término "Proyecto K-25" se aplicó a todo el proyecto para desarrollar el enriquecimiento de uranio mediante el proceso de difusión gaseosa. Cuando se agregaron otros edificios "K-" después de la guerra, "K-25" se convirtió en el nombre del complejo original más grande. [31] [32]

Investigación y desarrollo [ editar ]

Difusores [ editar ]

Una celda de difusión gaseosa, mostrando el difusor

La naturaleza altamente corrosiva del hexafluoruro de uranio presentó varios desafíos tecnológicos. Las tuberías y los accesorios con los que entraba en contacto tenían que estar hechos o revestidos con níquel . Esto estaba bien para objetos pequeños, pero poco práctico para los grandes difusores, los contenedores en forma de tanque que tenían que mantener el gas bajo presión. El níquel era un material de guerra vital y, aunque el Proyecto Manhattan podría utilizar su prioridad primordial para adquirirlo, fabricar los difusores con níquel sólido agotaría el suministro nacional. El director del Proyecto Manhattan, el general de brigada Leslie R. Groves Jr. , otorgó el contrato para construir los difusores a Chrysler . A su vez, su presidente, KT Kellerasignó a Carl Heussner, un experto en galvanoplastia , la tarea de desarrollar un proceso para galvanizar un objeto tan grande. Los altos ejecutivos de Chrysler llamaron a esto "Proyecto X-100". [33] [34]

La galvanoplastia utilizó una milésima parte del níquel de un difusor de níquel sólido. Los Laboratorios SAM ya lo habían intentado y fracasaron. Heussner experimentó con un prototipo en un edificio construido dentro de un edificio y descubrió que se podía hacer, siempre que la serie de pasos de decapado y escalado necesarios se realizaran sin que nada entrara en contacto con el oxígeno. Toda la fábrica de Chrysler en Lynch Road en Detroit se entregó a la fabricación de difusores. El proceso de galvanoplastia requirió más de 50,000 pies cuadrados (4,600 m 2 ) de espacio en el piso, varios miles de trabajadores y un complicado sistema de filtración de aire para garantizar que el níquel no estuviera contaminado. Al final de la guerra, Chrysler había construido y enviado más de 3500 difusores. [33] [34]

Bombas [ editar ]

El proceso de difusión gaseosa requería bombas adecuadas que debían cumplir requisitos estrictos. Al igual que los difusores, tenían que resistir la corrosión de la alimentación de hexafluoruro de uranio. La corrosión no solo dañaría las bombas, sino que contaminaría la alimentación. No podían permitirse ninguna fuga de hexafluoruro de uranio, especialmente si ya estaba enriquecido, o de aceite, que reaccionaría con el hexafluoruro de uranio. Tenían que bombear a altas velocidades y manejar un gas doce veces más denso que el aire. Para cumplir con estos requisitos, SAM Laboratories optó por utilizar bombas centrífugas . Sabían que la relación de compresión deseada de 2,3: 1 a 3,2: 1 era inusualmente alta para este tipo de bomba. Para algunos propósitos, una bomba alternativa sería suficiente, [35]y estos fueron diseñados por Boorse en SAM Laboratories, mientras que Ingersoll Rand abordó las bombas centrífugas. [36]

A principios de 1943, Ingersoll Rand se retiró. [37] Keith se acercó a Clark Compressor Company y Worthington Pump and Machinery pero lo rechazaron, diciendo que no se podía hacer. [38] Entonces Keith y Groves vieron ejecutivos en Allis-Chalmers , quienes acordaron construir una nueva fábrica para producir las bombas, a pesar de que el diseño de la bomba aún era incierto. Los Laboratorios SAM idearon un diseño y Westinghouse construyó algunos prototipos que fueron probados con éxito. Luego Judson Swearingen en la Elliott Companyideó un diseño revolucionario y prometedor que era mecánicamente estable con sellos que contendrían el gas. Este diseño fue fabricado por Allis-Chalmers. [37]

Barreras [ editar ]

Las dificultades con los difusores y las bombas se volvieron insignificantes además de las de la barrera porosa . Para funcionar, el proceso de difusión gaseosa requería una barrera con orificios microscópicos, pero no sujeta a taponamiento. Tenía que ser extremadamente poroso, pero lo suficientemente fuerte para soportar las altas presiones. Y, como todo lo demás, tuvo que resistir la corrosión del hexafluoruro de uranio. El último criterio sugirió una barrera de níquel. [37] Foster C. Nix en Bell Telephone Laboratories experimentó con níquel en polvo, mientras que Edward O. Norris en CO Jelliff Manufacturing Corporation y Edward Adler en el City College de Nueva York trabajaron en un diseño con níquel metálico galvanizado. [36]Norris era un decorador de interiores inglés que había desarrollado una malla metálica muy fina para usar con una pistola rociadora . [39] Su diseño parecía demasiado frágil y quebradizo para el uso propuesto, particularmente en las etapas superiores de enriquecimiento, pero había esperanzas de que esto pudiera superarse. [40]

Configurar una bomba de proceso

En 1943, Urey trajo a Hugh S. Taylor de la Universidad de Princeton para analizar el problema de una barrera utilizable. Libby avanzó en la comprensión de la química del hexafluoruro de uranio, lo que llevó a ideas sobre cómo prevenir la corrosión y el taponamiento. Investigadores químicos de los Laboratorios SAM estudiaron los fluorocarbonos, que resistía la corrosión, y podía usarse como lubricante y refrigerante en la planta de difusión gaseosa. A pesar de este progreso, el Proyecto K-25 estaba en serios problemas sin una barrera adecuada, y en agosto de 1943 se enfrentaba a la cancelación. El 13 de agosto, Groves informó al Comité de Política Militar, el comité superior que dirigía el Proyecto Manhattan, que el enriquecimiento por difusión gaseosa superior al cincuenta por ciento era probablemente inviable y que la planta de difusión gaseosa se limitaría a producir productos con un enriquecimiento menor que podría ser alimentado a los calutrones de la planta electromagnética Y-12. Por lo tanto, Urey comenzó los preparativos para producir en masa la barrera Norris-Adler, a pesar de sus problemas. [40]

Mientras tanto, Union Carbide y Kellex habían hecho que los investigadores de Bakelite Corporation, una subsidiaria de Union Carbide, fueran conscientes de los esfuerzos infructuosos de Nix con las barreras de níquel en polvo. Para Frazier Groff y otros investigadores de los laboratorios de Bakelite en Bound Brook, Nueva Jersey , parecía que Nix no estaba aprovechando las últimas técnicas y comenzaron sus propios esfuerzos de desarrollo. Tanto Bell como Bound Brook enviaron muestras de sus barreras de níquel en polvo a Taylor para su evaluación, pero a él no le impresionó; ninguno había encontrado una barrera práctica. En el laboratorio de Kellogg en Jersey City, Nueva Jersey, Clarence A. Johnson, que conocía las medidas tomadas por los Laboratorios SAM para mejorar la barrera Norris-Adler, se dio cuenta de que también se podían tomar con la barrera Baquelita. El resultado fue una barrera mejor que cualquiera, aunque todavía por debajo de lo que se requería. En una reunión en Columbia con el ejército presente el 20 de octubre de 1943, Keith propuso cambiar el esfuerzo de desarrollo a la barrera Johnson. Urey se resistió a esto, temiendo que esto destruyera la moral en los Laboratorios SAM. El asunto se planteó a Groves en una reunión el 3 de  noviembre de 1943, y decidió continuar con el desarrollo de las barreras Johnson y Norris-Adler. [41]

Groves convocó la ayuda británica, en forma de Wallace Akers y quince miembros del proyecto británico de difusión gaseosa, que revisarían los avances realizados hasta el momento. [42] Su veredicto fue que si bien la nueva barrera era potencialmente superior, el compromiso de Keith de construir una nueva instalación para producir la nueva barrera en solo cuatro meses, producir todas las barreras requeridas en otros cuatro y tener la instalación de producción en funcionamiento en solo doce "sería una especie de logro milagroso". [43] El 16 de enero de 1944, Groves falló a favor de la barrera Johnson. Johnson construyó una planta piloto para el nuevo proceso en el Edificio Nash. Taylor analizó las barreras de la muestra producidas y pronunció solo 5 por ciento de ellos para ser de calidad aceptable. Edward Mack Jr. creó su propia planta piloto en Schermerhorn Hall en Columbia, y Groves obtuvo 80 toneladas cortas (73 t) de níquel de International Nickel Company . Con mucho níquel para trabajar, en abril de 1944, ambas plantas piloto estaban produciendo barreras de calidad aceptable el 45 por ciento del tiempo. [44]

Construcción [ editar ]

El sitio elegido fue Clinton Engineer Works en Tennessee. El área fue inspeccionada por representantes del distrito de Manhattan, Kellex y Union Carbide el 18 de enero de 1943. También se consideraron los sitios cercanos a la presa Shasta en California y el Big Bend del río Columbia en el estado de Washington. La menor humedad de estas áreas las hizo más adecuadas para una planta de difusión gaseosa, pero el sitio de Clinton Engineer Works estaba disponible de inmediato y, por lo demás, era adecuado. Groves se decidió por el sitio en abril de 1943. [45]

Under the contract, Kellex had responsibility not just for the design and engineering of the K-25 plant, but for its construction as well. The prime construction contractor was J. A. Jones Construction from Charlotte, North Carolina. It had impressed Groves with its work on several major Army construction projects,[46] such as Camp Shelby, Mississippi.[47] There were more than sixty subcontractors.[48] Kellex engaged another construction company, Ford, Bacon & Davis, to build the fluorine and nitrogen facilities, and the conditioning plant.[48]El trabajo de construcción estuvo inicialmente a cargo del Teniente Coronel Warren George, Jefe de la División de Construcción de Clinton Engineer Works. El mayor WP Cornelius se convirtió en el oficial de construcción responsable de las obras del K-25 el 31 de julio de 1943. [49] Era responsable ante Stowers en Manhattan. [48] Se convirtió en Jefe de la División de Construcción el 1 de  marzo de 1946. [49] JJ Allison era el ingeniero residente de Kellex, y Edwin L. Jones, el Gerente General de JA Jones. [50]

Planta de energía [ editar ]

Planta de energía K-25 (el edificio con tres chimeneas) en 1945. El edificio oscuro detrás es la planta de difusión térmica S-50 .

La construcción comenzó antes de que se completara el diseño del proceso de difusión gaseosa. Debido a la gran cantidad de energía eléctrica que se esperaba que consumiera la central K-25, se decidió dotarla de su propia central eléctrica. Si bien la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) creía que podía satisfacer las necesidades de Clinton Engineer Works, había inquietud por depender de un solo proveedor cuando un corte de energía podía costar semanas de trabajo a la planta de difusión gaseosa y las líneas a TVA podrían ser saboteadas. . Una planta local era más segura. Los ingenieros de Kellex también se sintieron atraídos por la idea de poder generar la corriente de frecuencia variable requerida por el proceso de difusión gaseosa sin transformadores complicados. [51]

A site was chosen for this on the western edge of the Clinton Engineer Works site where it could draw cold water from the Clinch River and discharge warm water into Poplar Creek without affecting the inflow. Groves approved this location on 3 May 1943.[52] Surveying began on the power plant site on 31 May 1943, and J. A. Jones started construction work the following day. Because the bedrock was 35 to 40 feet (11 to 12 m) below the surface, the power plant was supported on 40 concrete-filled caissons.[53] Installation of the first boiler commenced in October 1943.[54] Construction work was complete by late September.[55] To prevent sabotage, the power plant was connected to the gaseous diffusion plant by an underground conduit. Despite this, there was one act of sabotage, in which a nail was driven through the electric cable. The culprit was never found, but was considered more likely to be a disgruntled employee than an Axis spy.[46]

Electric power in the United States was generated at 60 hertz; the power house was able to generate variable frequencies between 45 and 60 hertz, and constant frequencies of 60 and 120 hertz. This capability was not ultimately required, and all but one of the K-25 systems ran on a constant 60 hertz, the exception using a constant 120 hertz.[54] The first coal-fired boiler was started on 7 April 1944, followed by the second on 14 July 1944 and the third on 2 November 1944.[55] Each produced 750,000 pounds (340,000 kg) of steam an hour at a pressure of 1,325 pounds per square inch (9,140 kPa) and a temperature of 935 °F (502 °C).[54] To obtain the fourteen turbine generators needed, Groves had to use the Manhattan Project's priority to overrule Julius Albert Krug, the director of the Office of War Utilities.[56] The turbine generators had a combined output of 238,000 kilowatts. The power plant could also receive power from TVA. It was decommissioned in the 1960s and demolished in 1995.[54]

Gaseous diffusion plant[edit]

A site for the K-25 facility was chosen near the high school of the now-abandoned town of Wheat. As the dimensions of the K-25 facility became more apparent, it was decided to move it to a larger site near Poplar Creek, closer to the power plant. This site was approved on 24 June 1943.[52] Considerable work was required to prepare the site. Existing roads in the area were improved to take heavy traffic. A new 5.1-mile (8.2 km) road was built to connect the site to US Route 70, and another, 5 miles (8.0 km) long, to connect with Tennessee State Route 61. An old ferry over the Clinch River was upgraded, and then replaced with a 360-foot (110 m) bridge in December 1943. A 10.7-mile (17.2 km) railroad spur was run from Blair, Tennessee , al sitio K-25. También se proporcionaron unas 12,9 millas (20,8 km) de apartaderos. El primer vagón de carga atravesó la línea el 18 de septiembre de 1943. [57]

K-25 en construcción

Inicialmente se pretendía que los trabajadores de la construcción vivieran fuera del sitio, pero el mal estado de las carreteras y la escasez de alojamientos en el área hicieron que los desplazamientos diarios fueran largos y difíciles y, a su vez, dificultaron la búsqueda y retención de trabajadores. Por lo tanto, los trabajadores de la construcción se alojaron en grandes cabañas y campamentos de remolques. El campamento JA Jones para trabajadores K-25, conocido como Happy Valley, [58] tenía capacidad para 15.000 personas. Esto requirió 8  dormitorios, 17 barracones, 1.590 cabañas, 1.153 remolques y 100 casas de la victoria. [59] Se construyó una estación de bombeo para suministrar agua potable desde el río Clinch, junto con una planta de tratamiento de agua. [60] Amenities included a school, eight cafeterias, a bakery, theater, three recreation halls, a warehouse and a cold storage plant.[59] Ford, Bacon & Davis established a smaller camp for 2,100 people.[59] Responsibility for the camps was transferred to the Roane-Anderson Company on 25 January 1946, and the school was transferred to district control in March 1946.[61]

Work began on the 130-acre (53 ha) main facility area on 20 October 1943. Although generally flat, some 3,500,000 cubic yards (2,700,000 m3) of soil and rock had to be excavated from areas up to 46 feet (14 m) high, and six major areas had to be filled in, to a maximum depth of 23.5 feet (7.2 m). Normally buildings containing complicated heavy machinery would rest on concrete columns down to the bedrock, but this would have required thousands of columns of different length. To save time soil compaction was used instead. Layers were laid down and compacted with sheepsfoot rollers in the areas that had to be filled in, and the footings were laid over compacted soil in the low-lying areas and the undisturbed soil in the areas that had been excavated. Activities overlapped, so concrete pouring began while grading was still going on.[62][63] Cranes started lifting the steel frames into place on 19 January 1944.[64]

K-25 under construction

Kellex's design for the main process building of K-25 called for a four-story U-shaped structure 0.5 miles (0.80 km) long containing 51 main process buildings and 3 purge cascade buildings.[64] These were divided into nine sections. Within these were cells of six stages. The cells could be operated independently, or consecutively, within a section. Similarly, the sections could be operated separately or as part of a single cascade.[65] When completed, there were 2,892 stages.[66] The basement housed the auxiliary equipment, such as the transformers, switch gears, and air conditioning systems. The ground floor contained the cells. The third level contained the piping. The fourth floor was the operating floor, which contained the control room, and the hundreds of instrument panels. From here, the operators monitored the process.[67] The first section was ready for test runs on 17 April 1944, although the barriers were not yet ready to be installed.[63]

The main process building surpassed The Pentagon as the largest building in the world,[67] with a floor area of 5,264,000 square feet (489,000 m2), and an enclosed volume of 97,500,000 cubic feet (2,760,000 m3).[64] Construction required 200,000 cubic yards (150,000 m3) of concrete, and 100 miles (160 km) of gas pipes.[68] Because uranium hexafluoride corrodes steel, and steel piping had to be coated in nickel, smaller pipes were made of copper or monel.[67] The equipment operated under vacuum pressures, so plumbing had to be air tight. Special efforts were made to create as clean an environment as possible to areas where piping or fixtures were being installed. J. A. Jones established a special cleanliness unit on 18 April 1944. Buildings were completely sealed off, air was filtered, and all cleaning was with vacuum cleaners and mopping. Workers wore white lintless gloves.[69] At the peak of construction activity in May 1945, 25,266 people were employed on the site.[70]

Other buildings[edit]

Although by far the largest, the main process building (K-300) was but one of many that made up the facility. There was a conditioning building (K-1401), where piping and equipment were cleaned prior to installation. A feed purification building (K-101), was built to remove impurities from the uranium hexafluoride, but never operated as such because the suppliers provided feed good enough to be fed into the gaseous diffusion process. The three-story surge and waste removal building (K-601) processed the "tail" stream of depleted uranium hexafluoride. The air conditioning building (K-1401) provided 76,500 cubic feet (2,170 m3) per minute of clean, dry air. K-1201 compressed the air. The nitrogen plant (K-1408) provided gas for use as a pump sealant and to protect equipment from moist air.[67][71][72]

The K-1001 administration building provided 2 acres (0.81 ha) of office space

The fluorine generating plant (K-1300) generated, bottled and stored fluorine.[71] It had not been in great demand before the war, and Kellex and the Manhattan District considered four different processes for large-scale production. A process developed by the Hooker Chemical Company was chosen. Owing to the hazardous nature of fluorine, it was decided that shipping it across the United States was inadvisable, and it should be manufactured on site at the Clinton Engineer Works.[73] Two pump houses (K-801 and K-802) and two cooling towers (H-801 and H-802) provided 135,000,000 US gallons (510 Ml) of cooling water per day for the motors and compressors.[67][71][72]

The administration building (K-1001) provided 2 acres (0.81 ha) of office space. A laboratory building (K-1401) contained facilities for testing and analyzing feed and product. Five drum warehouses (K-1025-A to -E) had 4,300 square feet (400 m2) of floor space to store drums of uranium hexafluoride. Originally this was on the K-27 site. The buildings were moved on a truck to make way for K-27. There were also warehouses for general stores (K-1035), spare parts (K-1036) and equipment (K-1037). A cafeteria (K-1002) provided meal facilities, including a segregated lunch room for African Americans. There were three changing houses (K-1008-A, B and C), a dispensary (K-1003), an instrument repair building (K-1024), and a fire station (K-1021).[67][71]

In mid-January 1945, Kellex proposed an extension to K-25 to allow product enrichment of up to 85 percent. Grove initially approved this, but later canceled it in favor of a 540-stage side feed unit, which became known as K-27, which could process a slightly enriched product. This could then be fed into K-25 or the calutrons at the Y-12. Kellex estimated that using the enriched feed from K-27 could lift the output from K-25 from 35 to 60 percent uranium-235.[63] Construction started at K-27 on 3 April 1945,[74] and was completed in December 1945.[67] The construction work was expedited by making it "virtually a Chinese copy" of a section of K-25.[75] By 31 December 1946, when the Manhattan Project ended, 110,048,961 man-hours of construction work had been performed at the K-25 site.[50] The total cost, including that of K-27, was $479,589,999 (equivalent to $5.5 billion in 2019[76]).[77]

Operations[edit]

The K-25 control room

The preliminary specification for the K-25 plant in March 1943 called for it to produce 1 kilogram (2.2 lb) a day of product that was 90 percent uranium-235.[78] As the practical difficulties were realized, this target was reduced to 36 percent. On the other hand, the cascade design meant construction did not need to be complete before the plant started operating.[79] In August 1943, Kellex submitted a schedule that called for a capability to produce material enriched to 5 percent uranium-235 by 1 June 1945, 15 percent by 1 July 1945, and 36 percent by 23 August 1945.[80] This schedule was revised in August 1944 to 0.9 percent by 1 January 1945, 5 percent by 10 June 1945, 15 percent by 1 August 1945, 23 percent by 13 September 1945, and 36 percent as soon as possible after that.[81]

A meeting between the Manhattan District and Kellogg on 12 December 1942 recommended the K-25 plant be operated by Union Carbide. This would be through a wholly owned subsidiary, Carbon and Carbide Chemicals. A cost-plus-fixed-fee contract was signed on 18 January 1943, setting the fee at $75,000 per month. This was later increased to $96,000 a month to operate both K-25 and K-27.[82] Union Carbide did not wish to be the sole operator of the facility. Union Carbide suggested the conditioning plant be built and operated by Ford, Bacon & Davis. The Manhattan District found this acceptable, and a cost-plus-fixed-fee contract was negotiated with a fee of $216,000 for services up to the end of June 1945. The contract was terminated early on 1 May 1945, when Union Carbide took over the plant. Ford, Bacon & Davis was therefore paid $202,000.[83] The other exception was the fluorine plant. Hooker Chemical was asked to supervise its construction of the fluorine plant, and initially to operate it for a fixed fee of $24,500. The plant was turned over to Union Carbide on 1 February 1945.[73]

A worker on a bicycle in the K-25 operating level

Part of the K-300 complex was taken over by Union Carbide in August 1944, and was run as a pilot plant, training operators and developing procedures, using nitrogen instead of uranium hexafluoride until October 1944, and then perfluoroheptane until April 1945.[82] The design of the gaseous diffusion plant allowed for it to be completed in sections, and for these to be put into operation while work continued on the others. J. A. Jones completed the first 60 stages by the end of 1944. Before each stage was accepted, it underwent tests by J. A. Jones, Carbide and Carbon and SAM Laboratories technicians to verify that the equipment was working and there were no leaks. Between four and six hundred people devoted eight months to this testing. Perfluoroheptane was used as a test fluid until February 1945, when it was decided to use uranium hexafluoride despite its corrosive nature.[84]

The Manhattan District engineer, Colonel Kenneth Nichols, placed Major John J. Moran in charge of production at K-25. Production commenced in February 1945,[84] and the first product was shipped to the calutrons in March.[85] By April, the gaseous diffusion plant was producing 1.1 percent product.[86] It was then decided that instead of processing uranium hexafluoride feed from the Harshaw Chemical Company, the gaseous diffusion plant would take the product of the S-50 thermal diffusion plant, with an average enrichment of about 0.85 percent.[87] Product enrichment continued to improve, as more stages came online and performed better than anticipated. In June product was being enriched to 7 percent; by September it was 23 percent.[86] The S-50 plant ceased operation on 9 September,[88] and Kellex transferred the last unit to Union Carbide on 11 September 1945.[77] Highly enriched uranium was used in the Little Boy atomic bomb used in the bombing of Hiroshima on 6 August 1945.[89]

Air compressors and water pumps in the K-1101 air conditioning building

With the end of the war in August 1945, the Manhattan Project's priority shifted from speed to economy and efficiency. The cascades were configurable, so they could produce a large amount of slightly enriched product by running them in parallel, or a small amount of highly enriched product through running them in series. By early 1946, with K-27 in operation, the facility was producing 3.6 kilograms (7.9 lb) per day, enriched to 30 percent. The next step was to increase the enrichment further to 60 percent. This was achieved on 20 July 1946. This presented a problem, because Y-12 was not equipped to handle feed that was so highly enriched, but the Los Alamos Laboratory required 95 percent. For a time, product was mixed with feed to reduce the enrichment to 30 percent. Taking the concentration up to 95 percent raised safety concerns, as there was the risk of a criticality accident.[90]

After some deliberation, with opinions sought and obtained from Percival Keith, Norris Bradbury, Darol Froman, Elmer E. Kirkpatrick, Kenneth Nichols and Edward Teller,[91] it was decided that this could be done safely if appropriate precautions were taken. On 28 November 1946, the K-25 plant began producing 94 percent product. At this point, they ran into a serious flaw in the gaseous diffusion concept: enrichment in uranium-235 also enriched the product in the unwanted and fairly useless uranium-234, making it difficult to raise the enrichment to 95 percent. On 6 December 1946, production was dropped back to a steady 2.56 kilograms (5.6 lb) per day enriched to 93.7 percent uranium-235, along with 1.9 percent uranium-234. This was regarded as a satisfactory product by the Los Alamos Laboratory, so on 26 December 1946 enrichment activity at Y-12 was curtailed. The Manhattan Project ended a few days later. Responsibility for the K-25 facility then passed to the new Atomic Energy Commission on 1 January 1947.[92]

Closure and demolition[edit]

K-25 became a prototype for other gaseous diffusion facilities established in the early post-war years. The first of these was the 374,000-square-foot (34,700 m2) K-27 completed in September 1945. It was followed by the 15-acre (6.1 ha) K-29 in 1951, the 20-acre (8.1 ha) K-31 in 1951 and the 32-acre (13 ha) K-33 in 1954.[93] Further gaseous diffusion facilities were built at Paducah, Kentucky, in 1952,[94] and Portsmouth, Ohio, in 1954.[95] The K-25 plant was renamed the Oak Ridge Gaseous Diffusion Plant in 1955.[96]

Demolition of K-25 in progress in April 2012

Today, uranium isotope separation is usually done by the more energy-efficient ultra centrifuge process,[97] developed in the Soviet Union after World War II by Soviet and captured German engineers working in detention.[98] The centrifuge process was the first isotope separation method considered for the Manhattan project, but was abandoned due to technical challenges early in the project. When German scientists and engineers were released from Soviet captivity in the mid-1950s the West became aware of the ultra centrifuge design and began shifting uranium enrichment to this much more efficient process. As centrifuge technology advanced, it became possible to carry out uranium enrichment on a smaller scale without the vast resources that were necessary to build and operate 1940s and 1950s "K" and "Y" style separation plants, a development which had the effect of increasing nuclear proliferation concerns.[99]

Centrifuge cascades began operating at Oak Ridge in 1961. A gas centrifuge test facility (K-1210) opened in 1975, followed by a larger centrifuge plant demonstration facility (K-1220) in 1982. In response to an order from President Lyndon B. Johnson to cut production of enriched uranium by 25 percent, K-25 and K-27 ceased production in 1964, but in 1969 K-25 began producing uranium enriched to 3 to 5 percent for use in nuclear reactors. Martin Marietta Energy replaced Union Carbide as the operator in 1984. Gaseous diffusion ceased on 27 August 1985. The Oak Ridge Gaseous Diffusion Plant was renamed the Oak Ridge K-25 Site in 1989, and the East Tennessee Technology Park in 1996.[96] Production of enriched uranium using gaseous diffusion ceased in Portsmouth in 2001, and at Paducah in 2013.[100] Nowadays all commercial uranium enrichment in the United States is carried out using gas centrifuge technology.[101]

The United States Department of Energy (DOE) contracted with British Nuclear Fuels Ltd (BNFL) in 1997 to decontaminate and decommission the facilities. Its subsidiary Reactor Sites Management Company Limited (RSMC) was acquired by EnergySolutions in June 2007. Initially K-29, K-31 and K-33 were to be retained for other uses, but it was subsequently decided to demolish them. Bechtel Jacobs, the environmental management contractor, assumed responsibility for the facility in July 2005. Demolition of K-29 began in January 2006, and was completed in August.[93] Demolition of K-33 began in January 2011, and was completed ahead of schedule in September 2011.[102] It was followed by the demolition of K-31, which began on 8 October 2014,[103] and was completed on 26 June 2015.[104]

Bechtel Jacobs was contracted to dismantle and demolish the K-25 facility in September 2008. The contract, valued at $1.48 billion, was made retrospective to October 2007,[105] and ended in August 2011. Since then demolition work has been carried out by DOE's current environmental management contractor, URS | CH2M Hill Oak Ridge (UCOR).[106] Demolition of the K-25 facility was expected to be completed by July 2014.[107] By 23 January 2013, demolition of the north and west wings was complete, with only a small portion of the east wing remaining (6 units out of 24 on the east wing).[108] The final section of the east wing was brought down on 19 December 2013. The last debris was removed in 2014.[109] Demolition of K-27, the last of the five gaseous diffusion facilities at Oak Ridge, began in February 2016.[110] US Senator Lamar Alexander and US Congressman Chuck Fleischmann joined 1,500 workers to watch the final wall come down on 30 August 2016. Its demolition was completed on 28 February 2017.[111]

Since 2020, the K-25 site is being redeveloped into a general aviation airport to service the city of Oak Ridge. The project is a joint-effort between Oak Ridge city officials, the Tennessee Department of Transportation, the Appalachian Regional Commission, the DOE, and the Federal Aviation Administration.[112]

Notes[edit]

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External links[edit]

  • K-25 Virtual Museum
  • Historic photos of K25 by Ed Westcott
  • Demolition of the north end of the K-25 building (Video)