El Proyecto P-9 era el nombre en clave dado durante la Segunda Guerra Mundial con el Proyecto Manhattan 's de agua pesada programa de producción. La operación de Cominco en Trail, Columbia Británica , fue mejorada para producir agua pesada. DuPont construyó tres plantas en los Estados Unidos: en Morgantown Ordnance Works, cerca de Morgantown, West Virginia ; en Wabash River Ordnance Works , cerca de Dana y Newport, Indiana ; y en Alabama Ordnance Works , cerca de Childersburg y Sylacauga, Alabama. Las plantas estadounidenses operaron desde 1943 hasta 1945. La planta canadiense en Trail continuó en funcionamiento hasta 1956. Se construyeron tres reactores nucleares utilizando el agua pesada producida por el Proyecto P-9: Chicago Pile 3 en Argonne , y ZEEP y NRX en Chalk River Laboratories en Canadá.
Orígenes
El agua pesada es una forma de agua que contiene una cantidad mayor de lo normal del isótopo de hidrógeno deuterio , también conocido como hidrógeno pesado, en lugar del isótopo común de hidrógeno-1 que constituye la mayor parte del hidrógeno en el agua ordinaria. [1] El deuterio fue descubierto por Harold Urey en 1931 y más tarde pudo concentrarlo en agua. [2] Su mentor Gilbert Newton Lewis aisló la primera muestra de agua pesada pura por electrólisis en 1933. [3]
Aunque fue una curiosidad científica desde el principio, en 1939 se despertó un interés considerable en el agua pesada cuando Hans von Halban y Lew Kowarski sugirieron que el agua pesada podría usarse como moderador de neutrones en un reactor nuclear usando uranio natural . Llevaron a cabo experimentos con uranio utilizando agua corriente, pero encontraron que los átomos de hidrógeno absorbían neutrones, evitando así la reacción en cadena deseada. [4] Sin embargo, el agua pesada fue un moderador ideal. La Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD) puso a Hugh S. Taylor , un físico británico de la Universidad de Princeton a cargo de la investigación del agua pesada. Taylor y Urey comenzaron a buscar medios para producir agua pesada a escala industrial. Para su proyecto de plutonio , Arthur H. Compton solicitó 2 piedras (28 libras; 13 kg). [5] El proyecto de agua pesada recibió el nombre en código de "Proyecto P-9" en octubre de 1942. [6]
El problema con el uso de agua pesada era que era escasa y los científicos no podían adquirir fácilmente las cantidades requeridas por un reactor. En la Universidad de Columbia en Estados Unidos, Enrico Fermi y Leó Szilárd intentaron utilizar el grafito como moderador. Esto resultó ser posible, pero el grafito tenía que ser muy puro, ya que las impurezas, en particular el boro , tendían a absorber neutrones. [4] El 2 de diciembre de 1942, el equipo de Fermi inició la primera reacción en cadena nuclear artificial autosuficiente en un reactor experimental conocido como Chicago Pile-1 . Para el Proyecto Manhattan , este fue un paso crucial hacia la fabricación de plutonio en un reactor para su uso en una bomba atómica , pero se requirieron reactores mucho más grandes para la producción en masa. [7]
Sendero
Cominco había estado involucrado en la investigación del agua pesada desde 1934 y la produjo en su planta de fundición en Trail, Columbia Británica . El 26 de febrero de 1941, el Canadian National Research Council preguntó sobre su capacidad para producir agua pesada. Esto fue seguido el 23 de julio de 1941 por una carta de Taylor que ofrecía un contrato del Comité de Investigación de la Defensa Nacional (NDRC) para producir 2,000 libras (910 kg), por lo cual la NDRC estaba dispuesta a pagar $ 5 por libra por baja calidad y $ 10 por alta. -Guardar agua pesada. En ese momento se vendía hasta $ 1,130 la libra. [6]
El presidente de Cominco, Selwyn G. Blaylock , fue cauto. Es posible que no haya demanda de agua pesada después de la guerra, y la patente del proceso estaba en manos de Albert Edgar Knowles, por lo que se requeriría un acuerdo de participación en las ganancias. En respuesta, Taylor ofreció $ 20,000 para modificaciones de la planta. [6] [8] Allí el asunto permaneció hasta el 6 de diciembre de 1941, cuando Blaylock tuvo una reunión con el físico británico GI Higson, quien le informó que Taylor se había desanimado con Cominco y había decidido buscar una fuente alternativa de agua pesada. Blaylock invitó a Taylor a visitar Trail, lo que hizo del 5 al 8 de enero de 1942. Los dos pronto encontraron puntos en común. Blaylock acordó producir agua pesada en Trail y rápidamente obtuvo la aprobación del presidente de la junta, Sir Edward Beatty . Se firmó un contrato el 1 de agosto de 1942. [6]
A la planta existente de $ 10 millones que consta de 3.215 celdas que consumen 75 MW de energía hidroeléctrica, se agregaron celdas de electrólisis secundaria para aumentar la concentración de deuterio en el agua del 2,3% al 99,8%. Para este proceso, Taylor desarrolló un catalizador de platino sobre carbono para las tres primeras etapas, mientras que Urey desarrolló uno de níquel y cromo para la torre de la cuarta etapa. [9] El gobierno de Estados Unidos adquirió siete nuevas parcelas de tierra por un total de 0,474 acres (0,192 ha). La construcción fue realizada por Stone & Webster . El costo final fue de $ 2.8 millones. El gobierno canadiense no se enteró oficialmente del proyecto hasta agosto de 1942, [10] [11] poco antes de que comenzara la construcción el mes siguiente. Se completó el 30 de junio de 1943, a un costo de 2.604.622 dólares. [9]
La producción aumentó constantemente de 15 libras (6,8 kg) en junio de 1943 a 326 libras (148 kg) en enero de 1944, 1.055 libras (479 kg) en enero de 1945 y 1.305 libras (592 kg) en enero de 1946. [12] El costo de funcionamiento de la planta promedió $ 32,979 por mes durante el período de junio de 1943 a diciembre de 1946, [13] cuando el Proyecto Manhattan fue reemplazado por la Comisión de Energía Atómica . [14] Esto resultó en $ 39 por libra. [13] La producción de agua pesada de Trail continuó hasta 1956. [10]
Sitios americanos
El director del Proyecto Manhattan, el general de brigada Leslie R. Groves, Jr. , había contratado en noviembre de 1942 a DuPont como contratista principal para la construcción de un complejo de producción de plutonio. [7] Aunque los diseños preferidos de DuPont para los reactores nucleares eran refrigerados por helio y usaban grafito como moderador, DuPont aún expresó su interés en usar agua pesada como respaldo, en caso de que el diseño del reactor de grafito resultara inviable por alguna razón. Para este propósito, se estimó que se necesitarían 3 toneladas cortas (2,7 t) de agua pesada por mes. Como la planta de Trail, que en ese momento estaba en construcción, podía producir 0,5 toneladas cortas (0,45 t) por mes, se requería más capacidad. [15]
Por lo tanto, Groves autorizó a DuPont a establecer instalaciones adicionales de agua pesada en Morgantown Ordnance Works, cerca de Morgantown, West Virginia ; en Wabash River Ordnance Works , cerca de Dana y Newport, Indiana ; y en Alabama Ordnance Works , cerca de Childersburg y Sylacauga, Alabama . Aunque se conocen como obras de artillería y se pagan según los contratos del Departamento de artillería , fueron construidas y operadas por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos . Ubicarlos en las plantas de artillería les ahorró el costo de adquirir terrenos, ya que ya eran propiedad del gobierno, y ya tenían personal y servicios públicos, incluido el equipo de generación de vapor. Las tres plantas estadounidenses utilizaron un proceso diferente al de Trail; el agua pesada se extrajo por destilación, aprovechando el punto de ebullición ligeramente más alto del agua pesada. [15] Este no se consideró un proceso eficiente, pero se sabía que funcionaba y escalaba a un proceso industrial y, por lo tanto, representaba menos riesgo que otras propuestas. [16] Se esperaba que Morgantown, Wabash y Alabama produjeran 0,4 toneladas cortas (0,36 t), 1,2 toneladas cortas (1,1 t) y 0,8 toneladas cortas (0,73 t) respectivamente de agua pesada por mes, [17] con una concentración de 99,75 %. [18]
Morgantown
Morgantown Ordnance Works (MOW) comenzó como una instalación de producción química de 826 acres (334 ha) operada por DuPont durante la Segunda Guerra Mundial, y la construcción de la instalación principal comenzó en el verano de 1940. [19] Originalmente producía amoníaco para su uso. en la fabricación de explosivos, el MOW también produjo alcohol, hexamina y formaldehído antes de expandirse para producir agua pesada para su uso en el Proyecto P-9. [20] Los trabajos en Morgantown fueron realizados por DuPont bajo un contrato de tarifa fija de costo más costo , al igual que los trabajos en Wabash y Alabama. La construcción comenzó el 7 de enero de 1943 y se completó sustancialmente antes de la fecha prevista del 1 de septiembre. Las instalaciones fueron puestas en funcionamiento progresivamente entre el 29 de mayo y el 28 de agosto de 1943. El costo fue de $ 3,490,069. La tarifa fija de DuPont fue originalmente de $ 154,882, pero se redujo voluntariamente a $ 88,588 porque el costo de construcción fue considerablemente menor que los $ 6,034,000 estimados originalmente. [21]
La planta de acabado electrolítico se estableció en Morgantown porque esa planta estaba bajo el control de la División de Amoníaco de DuPont. En esta planta, la producción de las plantas de destilación, que era aproximadamente un 90% de agua pesada, se descomponía mediante electrólisis en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno ligero tiende a ser extraído primero, dejando atrás el agua pesada. Este proceso se repitió a través de varias etapas para producir un producto terminado que era 99,75% de agua pesada. [22] Después de que el agua alcanzó una concentración del 99,75%, el agua pesada se transportó por ferrocarril a la Universidad de Chicago, donde se utilizó como moderador potencial para los primeros reactores nucleares construidos en los Estados Unidos. [20]
Después del final de la guerra, DuPont terminó sus operaciones en el MOW y el sitio fue arrendado a varias compañías químicas hasta principios de la década de 1950 antes de permanecer vacante hasta 1962 cuando el área fue comprada a la Administración de Servicios Generales de los Estados Unidos por el precio de $ 1.25 millones. por la Asociación Comunitaria de Morgantown. Luego, la propiedad fue transferida a la recién creada Morgantown Ordnance Works, Inc., propiedad del industrial local JW Ruby, quien comenzó a convertir el sitio en un parque industrial. [19] En 1984, se propuso formalmente agregar parte del sitio a la Lista de prioridades nacionales del Superfondo de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y se agregó a la lista dos años más tarde en 1986. La construcción de la reparación comenzó en 2001 e incluyó la consolidación de materiales contaminados en un relleno sanitario en el sitio que se cubrió con una tapa de múltiples capas. El remedio también incluyó monitoreo a largo plazo y controles institucionales y se completó en 2003. [23] El 21 de agosto de 2018, la EPA eliminó las áreas de disposición de obras de artillería de la lista de prioridades nacionales del Superfondo junto con otros ocho sitios. [24]
Wabash
La construcción comenzó el 23 de enero de 1943 y se completó sustancialmente el 22 de octubre. Las etapas de la planta de destilación P-9 empezaron a funcionar entre el 17 de junio y el 18 de septiembre de 1943. El costo total fue de 7.493.157 dólares, incluida la tarifa de DuPont de 152.472 dólares, que se redujo voluntariamente de 272.776 dólares porque la planta se construyó por mucho menos que los 13.665.000 dólares asignados. [25]
Alabama
La construcción comenzó el 11 de febrero de 1943 y se completó el 15 de noviembre. Las etapas de la planta de destilación P-9 empezaron a funcionar entre el 29 de mayo y el 4 de septiembre de 1943. El costo total fue de $ 3.466.171, incluida la tarifa de DuPont de $ 70.368, que se redujo voluntariamente de $ 184.680 porque la planta se construyó por mucho menos que los $ 8.285.000 asignados. [26]
Producción
Las tres plantas estadounidenses nunca alcanzaron la producción prevista de 4.800 libras (2.200 kg) por mes. Se consideró una serie de sugerencias para mejorar la producción y se llevaron a cabo las más prometedoras. El más exitoso de ellos fue la reconstrucción de las torres de la primera etapa en Morgantown para reducir las fugas, lo que resultó en una mejora considerable en el rendimiento. Sin embargo, en ese momento, a principios de 1945, se decidió que la producción era suficiente y el gasto de hacer esto en las otras plantas no podía justificarse. [27]
La planta de destilación P-9 en Alabama se cerró en junio de 1945, la de Wabash en julio y la de Morgantown en agosto. La planta de acabado electrolítico de Morgantown se cerró en septiembre. El producto intermedio que quedaba cuando se cerraron las plantas se envió a Trail. Esto resultó en aproximadamente 1,600 libras (730 kg) de producción adicional en Trail. Entre febrero de 1944 y agosto de 1945, la planta de acabado electrolítico en Morgantown, que terminó el producto para las tres plantas, produjo un promedio de 2,277 libras (1,033 kg) por mes, para un total de 43,253 libras (19,619 kg). [27]
La planta de acabado electrolítico también procesó 1.429 kg (3.151 libras) de agua pesada recuperada de Alemania por la Misión Alsos del Proyecto Manhattan . [27] El costo de producción mensual promedio fue de $ 72,000 para Morgantown, $ 154,000 en Alabama y $ 197,400 en Wabash, para un total de $ 423,400. Por lo tanto, el agua pesada cuesta $ 186 por libra, excluyendo el costo de $ 11,967,000 de las plantas. Si esto está incluido, cuesta $ 550 por libra, en comparación con $ 111 por libra en Trail. [28]
El producto intermedio se envió desde Wabash y Alabama por ferrocarril en contenedores metálicos sellados. El producto terminado fue enviado por ferrocarril desde Morgantown vía Monongahela Railway and Trail vía Canadian Pacific Railway hasta el Laboratorio Metalúrgico del Proyecto Manhattan en la Universidad de Chicago . [29] [30] Se utilizó agua pesada de Trail para Chicago Pile 3 en Argonne , el primer reactor que utiliza agua pesada y uranio natural. Diseñado por Eugene Wigner y construido bajo la dirección de Walter Zinn , se volvió crítico el 15 de mayo de 1944. Los Laboratorios Chalk River utilizaron una asignación de agua pesada para construir ZEEP bajo la dirección de Kowarski, que se volvió crítica en septiembre de 1945. Esto fue seguido por su reactor NRX en 1947, que también fue moderado por agua pesada. Al igual que CP-3 y ZEEP, se utilizó para la investigación científica y no para la producción de plutonio. [10]
La demanda de agua pesada aumentó a principios de la década de 1950. [16] La instalación de agua pesada en Wabash, ahora rebautizada como Planta Dana por la Comisión de Energía Atómica, fue reabierta y DuPont reanudó la producción de agua pesada en mayo de 1952. [31] El sitio se utilizó como planta piloto para un nuevo proceso de producción. utilizando sulfuro de hidrógeno . La instalación de agua pesada se cerró de nuevo a principios de 1957. [32] La instalación y un complejo más grande en el sitio del río Savannah habían cumplido su propósito, suministrando agua pesada para los reactores de producción de plutonio en el río Savannah. [33]
Notas
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Referencias
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