Reactor de grafito X-10
Reactor nuclear fuera de servicio en Tennessee

Reactor de grafito X-10
Dos obreros, sobre una plataforma móvil similar a la que utilizan los limpiadores de ventanas, introducen una varilla en uno de los muchos agujeros pequeños que hay en la pared delante de ellos.
Los trabajadores del reactor de grafito utilizan una varilla para empujar trozos nuevos de uranio hacia el frente de carga de hormigón del reactor.
Concepto de reactorReactor de investigación (uranio/grafito)
Diseñado y construido porLaboratorio metalúrgico
Operacional1943 a 1963
EstadoDesmantelado
Parámetros principales del núcleo del reactor
Combustible ( material fisible )Uranio natural metálico
Estado del combustibleSólido (pellets)
Espectro de energía de los neutroneslento
Método de control primarioBarras de control
Moderador principalGrafito nuclear (ladrillos)
Refrigerante primarioAire
Uso del reactor
Uso principalInvestigación
ObservacionesEl segundo reactor nuclear artificial del mundo .
Reactor de grafito X-10
Mapa
Mapa interactivo que destaca la ubicación del reactor X-10
UbicaciónLaboratorio Nacional de Oak Ridge
Ciudad más cercanaOak Ridge, Tennessee
Coordenadas35°55′41″N 84°19′3″O / 35.92806, -84.31750
Áreamenos de 1 acre (0,40 ha) [1]
Construido1943
Número de referencia NRHP 66000720
Fechas significativas
Agregado a NRHP15 de octubre de 1966
NHL designado21 de diciembre de 1965

El reactor de grafito X-10 es un reactor nuclear fuera de servicio en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Oak Ridge, Tennessee . Anteriormente conocido como Clinton Pile y X-10 Pile , fue el segundo reactor nuclear artificial del mundo (después del Chicago Pile-1 de Enrico Fermi ) y el primero diseñado y construido para un funcionamiento continuo. Se construyó durante la Segunda Guerra Mundial como parte del Proyecto Manhattan .

Aunque Chicago Pile-1 demostró la viabilidad de los reactores nucleares, el objetivo del Proyecto Manhattan de producir suficiente plutonio para bombas atómicas requería reactores mil veces más potentes, junto con instalaciones para separar químicamente el plutonio generado en los reactores del uranio y los productos de fisión . Se consideró prudente dar un paso intermedio. El siguiente paso para el proyecto de plutonio, cuyo nombre en código era X-10, era la construcción de una semifábrica donde se pudieran desarrollar técnicas y procedimientos y realizar la capacitación. La pieza central de esto era el reactor de grafito X-10. Estaba refrigerado por aire, utilizaba grafito nuclear como moderador de neutrones y uranio natural puro en forma de metal como combustible.

DuPont comenzó la construcción de la semifábrica de plutonio en Clinton Engineer Works en Oak Ridge el 2 de febrero de 1943. El reactor entró en estado crítico el 4 de noviembre de 1943 y produjo su primer plutonio a principios de 1944. Suministró al Laboratorio de Los Álamos sus primeras cantidades significativas de plutonio y su primer producto generado en reactor. Los estudios de estas muestras influyeron en gran medida en el diseño de bombas. El reactor y la planta de separación química proporcionaron una experiencia invaluable para ingenieros, técnicos, operadores de reactores y funcionarios de seguridad que luego se trasladaron al sitio de Hanford . X-10 funcionó como planta de producción de plutonio hasta enero de 1945, cuando se entregó a actividades de investigación y producción de isótopos radiactivos para usos científicos, médicos, industriales y agrícolas. Se cerró en 1963 y fue designado Monumento Histórico Nacional en 1965.

Orígenes

El descubrimiento de la fisión nuclear por los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1938, [2] seguido de su explicación teórica (y denominación) por Lise Meitner y Otto Frisch , [3] abrió la posibilidad de una reacción nuclear en cadena controlada con uranio . En la Universidad de Columbia , Enrico Fermi y Leo Szilard comenzaron a explorar cómo esto podría hacerse. [4] Szilard redactó una carta confidencial al presidente de los Estados Unidos , Franklin D. Roosevelt , explicando la posibilidad de bombas atómicas y advirtiendo del peligro de un proyecto de armas nucleares alemán . Convenció a su viejo amigo y colaborador Albert Einstein para que la firmara, prestando su fama a la propuesta. [5] Esto resultó en el apoyo del gobierno de los EE. UU. para la investigación sobre la fisión nuclear, [6] que se convirtió en el Proyecto Manhattan . [7]

En abril de 1941, el Comité de Investigación de Defensa Nacional pidió a Arthur Compton , profesor de física de la Universidad de Chicago y ganador del Premio Nobel , que informara sobre el programa de uranio. Su informe, presentado en mayo de 1941, previó las perspectivas de desarrollar armas radiológicas , propulsión nuclear para barcos y armas nucleares utilizando uranio-235 o el recientemente descubierto plutonio . [8] En octubre escribió otro informe sobre la viabilidad de una bomba atómica. [9] Niels Bohr y John Wheeler habían teorizado que los isótopos pesados ​​con números atómicos pares y un número impar de neutrones eran fisionables . Si era así, entonces era probable que el plutonio-239 fuera fisionable. [10]

Emilio Segrè y Glenn Seaborg, de la Universidad de California, produjeron 28 μg de plutonio en el ciclotrón de 60 pulgadas en mayo de 1941 y descubrieron que tenía 1,7 veces la sección eficaz de captura de neutrones térmicos del uranio-235. En ese momento, el plutonio-239 se había producido en cantidades mínimas utilizando ciclotrones, pero no era posible producir grandes cantidades de esa manera. [11] Compton discutió con Eugene Wigner, de la Universidad de Princeton, cómo se podría producir plutonio en un reactor nuclear , y con Robert Serber cómo el plutonio producido en un reactor podría separarse del uranio. [9]

El borrador final del informe de Compton de noviembre de 1941 no mencionaba el uso de plutonio, pero después de discutir las últimas investigaciones con Ernest Lawrence , Compton se convenció de que una bomba de plutonio también era factible. En diciembre, Compton fue puesto a cargo del proyecto de plutonio, [12] que fue nombrado en código X-10. [13] Sus objetivos eran producir reactores para convertir uranio en plutonio, encontrar formas de separar químicamente el plutonio del uranio y diseñar y construir una bomba atómica. [10] [14] Le correspondió a Compton decidir cuál de los diferentes tipos de diseños de reactores deberían seguir los científicos, a pesar de que aún no se había construido un reactor exitoso. [15] Sintió que tener equipos en Columbia, Princeton, la Universidad de Chicago y la Universidad de California estaba creando demasiada duplicación y no suficiente colaboración, y concentró el trabajo en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago. [16]

Selección del sitio

En junio de 1942, el Proyecto Manhattan había llegado a la etapa en la que se podía contemplar la construcción de instalaciones de producción. El 25 de junio de 1942, el Comité Ejecutivo S-1 de la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico deliberó sobre dónde deberían ubicarse. [17] Pasar directamente a una planta de producción de megavatios parecía un gran paso, dado que muchos procesos industriales no se escalan fácilmente del laboratorio al tamaño de producción. Se consideró prudente un paso intermedio de construcción de una planta piloto. [18] Para la planta piloto de separación de plutonio, se quería un sitio cerca del Laboratorio Metalúrgico, donde se estaba llevando a cabo la investigación, pero por razones de seguridad, no era deseable ubicar las instalaciones en un área densamente poblada como Chicago . [17]

Compton seleccionó un sitio en el bosque de Argonne , parte del Distrito de Reserva Forestal del Condado de Cook , a unas 20 millas (32 km) al suroeste de Chicago. Las instalaciones de producción a gran escala se ubicarían junto con otras instalaciones del Proyecto Manhattan en una ubicación aún más remota en Tennessee. [17] Se arrendaron unas 1.000 acres (400 ha) de tierra del Condado de Cook para las instalaciones piloto, mientras que se seleccionó un sitio de 83.000 acres (34.000 ha) para las instalaciones de producción en Oak Ridge, Tennessee . En la reunión del Comité Ejecutivo del S-1 del 13 y 14 de septiembre, se había hecho evidente que las instalaciones piloto serían demasiado extensas para el sitio de Argonne, por lo que en su lugar se construiría un reactor de investigación en Argonne, mientras que las instalaciones piloto de plutonio (una semifábrica) se construirían en Clinton Engineer Works en Tennessee. [19]

El sitio de Oak Ridge fue seleccionado sobre la base de varios criterios. Las instalaciones piloto de plutonio debían estar a entre 3,2 y 6,4 km del límite del sitio y de cualquier otra instalación, en caso de que se escaparan productos de fisión radiactiva . Si bien las preocupaciones de seguridad y protección sugerían un sitio remoto, aún necesitaba estar cerca de fuentes de mano de obra y ser accesible por carretera y ferrocarril. Era deseable un clima templado que permitiera que la construcción continuara durante todo el año. El terreno separado por crestas reduciría el impacto de explosiones accidentales, pero no podían ser tan empinadas como para complicar la construcción. El sustrato debía ser lo suficientemente firme para proporcionar buenos cimientos, pero no tan rocoso como para obstaculizar el trabajo de excavación. Necesitaba grandes cantidades de energía eléctrica (disponible en la Autoridad del Valle de Tennessee ) y agua de refrigeración. [17] [20] Finalmente, una política del Departamento de Guerra sostuvo que, como regla, las instalaciones de municiones no deberían estar ubicadas al oeste de las cordilleras Sierra o Cascade , al este de los Montes Apalaches , o dentro de las 200 millas (320 km) de las fronteras canadienses o mexicanas. [21]

En diciembre se decidió que las instalaciones de producción de plutonio no se construirían en Oak Ridge, sino en el aún más remoto emplazamiento de Hanford , en el estado de Washington . Compton y el personal del Laboratorio Metalúrgico volvieron a plantear la cuestión de construir la semifábrica de plutonio en Argonne, pero los ingenieros y la dirección de DuPont , en particular Roger Williams (el jefe de su división TNX, responsable del papel de la empresa en el Proyecto Manhattan), no apoyaron esta propuesta. Consideraban que no habría suficiente espacio en Argonne y que había desventajas en tener un emplazamiento tan accesible, ya que temían que permitiera al personal de investigación del Laboratorio Metalúrgico interferir indebidamente en el diseño y la construcción, que consideraban su prerrogativa. [22] Pensaron que una mejor ubicación sería en las remotas instalaciones de producción de Hanford. Al final se llegó a un compromiso. [23] El 12 de enero de 1943, Compton, Williams y el general de brigada Leslie R. Groves, Jr. , director del Proyecto Manhattan, acordaron que las semiobras se construirían en Clinton Engineer Works. [24]

Tanto Compton como Groves propusieron que DuPont operara la semifábrica. Williams contrapropuso que la semifábrica fuera operada por el Laboratorio Metalúrgico. Razonó que sería principalmente una instalación de investigación y educación, y que la experiencia se encontraría en el Laboratorio Metalúrgico. Compton se sorprendió; [24] el Laboratorio Metalúrgico era parte de la Universidad de Chicago, y por lo tanto la universidad estaría operando una instalación industrial a 500 millas (800 km) de su campus principal. James B. Conant le dijo que la Universidad de Harvard "no lo tocaría ni con un palo de tres metros", [25] pero el vicepresidente de la Universidad de Chicago, Emery T. Filbey, tuvo una opinión diferente y le ordenó a Compton que aceptara. [26] Cuando el presidente de la Universidad , Robert Hutchins , regresó, saludó a Compton con "Veo, Arthur, que mientras yo estaba fuera duplicaste el tamaño de mi universidad". [27]

Diseño

Diagrama del reactor
Sitio de construcción, con materiales esparcidos por todos lados
Bajo construcción

Las decisiones fundamentales de diseño en la construcción de un reactor son la elección del combustible, el refrigerante y el moderador de neutrones . La elección del combustible fue sencilla; solo estaba disponible uranio natural . La decisión de que el reactor utilizaría grafito como moderador de neutrones provocó poco debate. Aunque con agua pesada como moderador el número de neutrones producidos por cada uno absorbido (conocido como factor k ) era un 10 por ciento más que en el grafito más puro, el agua pesada no estaría disponible en cantidades suficientes durante al menos un año. [28] Esto dejó la elección del refrigerante, sobre la que hubo mucha discusión. Un factor limitante fue que los trozos de combustible estarían revestidos de aluminio , por lo que la temperatura de funcionamiento del reactor no podría superar los 200 °C (392 °F). [18] Los físicos teóricos del grupo de Wigner en el Laboratorio Metalúrgico desarrollaron varios diseños. En noviembre de 1942, los ingenieros de DuPont eligieron gas helio como refrigerante para la planta de producción, principalmente porque no absorbía neutrones, pero también porque era inerte, lo que eliminaba el problema de la corrosión. [29]

No todo el mundo estuvo de acuerdo con la decisión de utilizar helio. Szilard, en particular, fue uno de los primeros en proponer el uso de bismuto líquido ; pero el principal oponente fue Wigner, que argumentó con fuerza a favor de un diseño de reactor refrigerado por agua. Se dio cuenta de que, dado que el agua absorbía neutrones, k se reduciría en un 3 por ciento, pero tenía suficiente confianza en sus cálculos de que el reactor refrigerado por agua aún sería capaz de alcanzar la criticidad . Desde una perspectiva de ingeniería, un diseño refrigerado por agua era sencillo de diseñar y construir, mientras que el helio planteaba problemas tecnológicos. El equipo de Wigner elaboró ​​un informe preliminar sobre refrigeración por agua, designado CE-140 en abril de 1942, seguido de uno más detallado, CE-197, titulado "Sobre una planta con refrigeración por agua", en julio de 1942. [30]

El reactor Chicago Pile-1 de Fermi , construido bajo las gradas occidentales del Stagg Field original en la Universidad de Chicago, "entró en estado crítico" el 2 de diciembre de 1942. Este reactor moderado por grafito sólo generó hasta 200 W, pero demostró que k era mayor de lo previsto. Esto eliminó la mayoría de las objeciones a los diseños de reactores refrigerados por aire y por agua, y simplificó enormemente otros aspectos del diseño. El equipo de Wigner presentó los planos de un reactor refrigerado por agua a DuPont en enero de 1943. Para entonces, las preocupaciones de los ingenieros de DuPont sobre la corrosividad del agua habían sido superadas por las crecientes dificultades del uso de helio, y todo el trabajo sobre helio se dio por terminado en febrero. Al mismo tiempo, se optó por la refrigeración por aire para el reactor en la planta piloto. [31] Como su diseño sería muy diferente al de los reactores de producción, el reactor de grafito X-10 perdió su valor como prototipo, pero mantuvo su valor como instalación piloto operativa, que proporcionaría el plutonio necesario para la investigación. [32] Se esperaba que se encontraran los problemas a tiempo para abordarlos en las plantas de producción. Las semifábricas también se utilizarían para formación y para desarrollar procedimientos. [18]

Construcción

Aunque el diseño del reactor aún no estaba completo, DuPont comenzó la construcción de la semifábrica de plutonio el 2 de febrero de 1943, [33] en un sitio aislado de 112 acres (45,3 ha) en Bethel Valley, a unas 10 millas (16 km) al suroeste de Oak Ridge, oficialmente conocido como el área X-10. El sitio incluía laboratorios de investigación, una planta de separación química, un área de almacenamiento de desechos, un centro de capacitación para el personal de Hanford e instalaciones administrativas y de apoyo que incluían una lavandería, una cafetería, un centro de primeros auxilios y una estación de bomberos. Debido a la decisión posterior de construir reactores refrigerados por agua en Hanford, solo la planta de separación química funcionó como un verdadero piloto. [34] [35] La semifábrica finalmente se conoció como los Laboratorios Clinton y fue operada por la Universidad de Chicago como parte del Proyecto Metalúrgico. [36]

Obra en construcción. Se ha levantado una chimenea y se han colocado andamios.
X-10 en construcción

Los trabajos de construcción del reactor tuvieron que esperar hasta que DuPont completara el diseño. La excavación comenzó el 27 de abril de 1943. Pronto se descubrió una gran bolsa de arcilla blanda, lo que hizo necesario construir cimientos adicionales. [37] Se produjeron más retrasos debido a las dificultades de la guerra para conseguir materiales de construcción. Había una grave escasez de mano de obra común y cualificada; el contratista solo tenía tres cuartas partes de la fuerza laboral requerida, y había una alta rotación y absentismo, principalmente como resultado de las malas condiciones de alojamiento y las dificultades para desplazarse. El municipio de Oak Ridge todavía estaba en construcción y se construyeron cuarteles para albergar a los trabajadores. Los acuerdos especiales con los trabajadores individuales aumentaron su moral y redujeron la rotación. Además, hubo lluvias inusualmente fuertes, con 240 mm (9,3 pulgadas) cayendo en julio de 1943, más del doble del promedio de 110 mm (4,3 pulgadas). [34] [38]

Se compraron unas 700 toneladas cortas (640 t) de bloques de grafito a National Carbon . Los equipos de construcción comenzaron a apilarlos en septiembre de 1943. Los lingotes de uranio fundido procedían de Metal Hydrides, Mallinckrodt y otros proveedores. Estos se extruyeron en lingotes cilíndricos y luego se enlataron. [39] Los lingotes de combustible se enlataron para proteger el metal de uranio de la corrosión que se produciría si entrara en contacto con el agua y para evitar la liberación de productos de fisión radiactivos gaseosos que podrían formarse cuando se irradiaran. Se eligió el aluminio porque transmitía bien el calor pero no absorbía demasiados neutrones. [40] Alcoa comenzó a enlatar el 14 de junio de 1943. General Electric y el Laboratorio Metalúrgico desarrollaron una nueva técnica de soldadura para sellar las latas herméticamente, y el equipo para esto se instaló en la línea de producción de Alcoa en octubre de 1943. [39]

La construcción de la planta piloto de separación comenzó antes de que se hubiera seleccionado un proceso químico para separar el plutonio del uranio. No fue hasta mayo de 1943 que los directivos de DuPont decidieron utilizar el proceso de fosfato de bismuto en lugar de uno que utilizara fluoruro de lantano . [41] El proceso de fosfato de bismuto fue ideado por Stanley G. Thompson en la Universidad de California . [42] El plutonio tenía dos estados de oxidación: un estado tetravalente (+4) y un estado hexavalente (+6), con diferentes propiedades químicas. [43] El fosfato de bismuto ( BiPO
4) era similar en su estructura cristalina al fosfato de plutonio, [44] y el plutonio sería transportado con fosfato de bismuto en una solución mientras que otros elementos, incluido el uranio, serían precipitados. El plutonio podría cambiarse de estar en solución a precipitado alternando su estado de oxidación. [45] La planta constaba de seis celdas, separadas entre sí y la sala de control por gruesos muros de hormigón. El equipo se operaba desde la sala de control por control remoto debido a la radiactividad producida por los productos de fisión. [36] El trabajo se completó el 26 de noviembre de 1943, [46] pero la planta no pudo operar hasta que el reactor comenzó a producir lingotes de uranio irradiado. [34]

Operación

Dos obreros con monos introducen una varilla en un agujero en la cara del reactor.
Cargando babosas de combustible

El reactor de grafito X-10 fue el segundo reactor nuclear artificial del mundo después del Chicago Pile-1 y fue el primer reactor diseñado y construido para un funcionamiento continuo. [47] Consistía en un enorme bloque de 7,3 m de largo por cada lado, de cubos de grafito nuclear , que pesaban alrededor de 1.500 toneladas cortas (1.400 t), que actuaban como moderador. Estaban rodeados por 2,1 m de hormigón de alta densidad como escudo contra la radiación. [34] En total, el reactor tenía 12 m de ancho, 14 m de profundidad y 9,8 m de alto. [1] Había 36 filas horizontales de 35 agujeros. Detrás de cada una había un canal de metal en el que se podían insertar los trozos de combustible de uranio. [48] Un ascensor proporcionaba acceso a los que estaban más arriba. Solo se utilizaron 800 (~64%) de los canales. [1]

El reactor utilizaba barras de control de acero revestidas de cadmio . Fabricadas a partir de cadmio que absorbe neutrones, podían restringir o detener la reacción. Tres barras de 8 pies (2,4 m) penetraban en el reactor verticalmente, sostenidas en su lugar por un embrague para formar el sistema de parada de emergencia . Estaban suspendidas de cables de acero que se enrollaban alrededor de un tambor y se mantenían en su lugar mediante un embrague electromagnético . Si se perdía la energía, caían dentro del reactor, deteniéndolo. Las otras cuatro barras estaban hechas de acero al boro y penetraban horizontalmente en el reactor desde el lado norte. Dos de ellas, conocidas como barras de "cuña", se controlaban hidráulicamente. Se podían usar acumuladores hidráulicos llenos de arena en caso de un corte de energía. Las otras dos barras eran impulsadas por motores eléctricos. [1]

El sistema de refrigeración consistía en tres ventiladores eléctricos que funcionaban a 55.000 pies cúbicos por minuto (1.600 m3 / min). Como se enfriaba con aire exterior, el reactor podía funcionar a un nivel de potencia más alto en los días fríos. [1] [49] Después de pasar por el reactor, el aire se filtraba para eliminar partículas radiactivas de más de 0,00004 pulgadas (0,0010 mm) de diámetro. Esto se encargó de más del 99 por ciento de las partículas radiactivas. Luego se ventilaba a través de una chimenea de 200 pies (61 m). [1] El reactor se operaba desde una sala de control en la esquina sureste del segundo piso. [1]

En septiembre de 1942, Compton le pidió al físico Martin D. Whitaker que formara un equipo operativo básico para el X-10. [50] Whitaker se convirtió en el director inaugural de los Laboratorios Clinton, [37] como se conoció oficialmente a la semifábrica en abril de 1943. [51] El primer equipo operativo permanente llegó del Laboratorio Metalúrgico de Chicago en abril de 1943, momento en el que DuPont comenzó a transferir a sus técnicos al sitio. Se les agregaron 100 técnicos uniformados del Destacamento de Ingenieros Especiales del Ejército . En marzo de 1944, había unas 1.500 personas trabajando en el X-10. [52]

Un gran edificio de cuatro pisos. La chimenea está al fondo. Hay postes y líneas eléctricas al frente.
Exterior del reactor de grafito en el sitio X-10 en Oak Ridge en 1950

Bajo la supervisión de Compton, Whitaker y Fermi, el reactor alcanzó su estado crítico el 4 de noviembre de 1943, con unas 30 toneladas cortas (27 t) de uranio. Una semana después, la carga se incrementó a 36 toneladas cortas (33 t), lo que elevó su generación de energía a 500 kW, y a finales de mes se crearon los primeros 500 mg de plutonio. [53] El reactor funcionaba normalmente las 24 horas del día, con paradas semanales de 10 horas para reabastecimiento. Durante el arranque, se retiraban por completo las barras de seguridad y una barra de compensación. La otra barra de compensación se insertaba en una posición predeterminada. Cuando se alcanzaba el nivel de potencia deseado, el reactor se controlaba ajustando la barra de compensación parcialmente insertada. [1]

El primer lote de balas enlatadas para ser irradiadas se recibió el 20 de diciembre de 1943, lo que permitió que se produjera el primer plutonio a principios de 1944. [54] Las balas usaban uranio natural metálico puro, en latas de aluminio herméticas de 4,1 pulgadas (100 mm) de largo y 1 pulgada (25 mm) de diámetro. Cada canal se cargaba con entre 24 y 54 balas de combustible. En su vida posterior, el reactor llegó a funcionar con hasta 54 toneladas cortas (49 t). Para cargar un canal, se quitaba el tapón de protección que absorbía la radiación y las balas se insertaban manualmente en el extremo delantero (este) con varillas largas. Para descargarlas, se empujaban hasta el extremo más alejado (oeste), donde caían sobre una placa de neopreno y por un conducto a un estanque de agua de 20 pies de profundidad (6,1 m) que actuaba como escudo contra la radiación. [1] Después de semanas de almacenamiento bajo el agua para permitir la descomposición de la radiactividad , las balas fueron enviadas al edificio de separación química. [55]

Un panel de control con muchos interruptores y medidores.
Controles del reactor

En febrero de 1944, el reactor irradiaba una tonelada de uranio cada tres días. Durante los cinco meses siguientes, se mejoró la eficiencia del proceso de separación, y el porcentaje de plutonio recuperado aumentó del 40 al 90 por ciento. Las modificaciones realizadas con el tiempo elevaron la potencia del reactor a 4000 kW en julio de 1944. [50] El efecto del veneno de neutrones xenón-135 , uno de los muchos productos de fisión producidos a partir del combustible de uranio, no se detectó durante la operación inicial del reactor de grafito X-10. Posteriormente, el xenón-135 causó problemas con la puesta en marcha del reactor Hanford B que casi detuvo el proyecto de plutonio. [56]

La semifábrica X-10 funcionó como planta de producción de plutonio hasta enero de 1945, cuando se entregó a actividades de investigación. Para entonces, se habían procesado 299 lotes de balas irradiadas. [50] En abril de 1946 se añadieron un edificio de radioisótopos, una planta de vapor y otras estructuras para apoyar las misiones educativas y de investigación del laboratorio en tiempos de paz. Todo el trabajo se completó en diciembre de 1946, lo que sumó otros 1.009.000 dólares (equivalentes a 12 millones de dólares en 2023 [57] ) al coste de construcción de X-10, y elevó el coste total a 13.041.000 dólares (equivalentes a 155 millones de dólares en 2023 [57] ). [36] Los costes operativos añadieron otros 22.250.000 dólares (equivalentes a 265 millones de dólares en 2023 [57] ). [48]

El X-10 suministró al Laboratorio de Los Álamos las primeras muestras significativas de plutonio. Los estudios de estas muestras realizados por Emilio G. Segrè y su Grupo P-5 en Los Álamos revelaron que contenía impurezas en forma del isótopo plutonio-240 , que tiene una tasa de fisión espontánea mucho mayor que el plutonio-239. Esto significaba que sería muy probable que un arma nuclear del tipo cañón de plutonio se predetonase y explotara durante la formación inicial de una masa crítica. [58] Por lo tanto, el Laboratorio de Los Álamos se vio obligado a centrar sus esfuerzos de desarrollo en la creación de un arma nuclear de tipo implosión , una hazaña mucho más difícil. [59]

La planta de separación química X-10 también verificó el proceso de fosfato de bismuto que se utilizó en las instalaciones de separación a gran escala en Hanford. El reactor y la planta de separación química proporcionaron una experiencia invaluable para los ingenieros, técnicos, operadores del reactor y funcionarios de seguridad que luego se trasladaron al sitio de Hanford. [55]

Uso en tiempos de paz

Dos trabajadores en una plataforma móvil similar a la que utilizan los limpiadores de ventanas, frente a una pared con una serie de agujeros y muchos cables que la atraviesan. Un cartel dice "Cara de carga del reactor de grafito".
Cara de carga, 2019. El modelo de la máquina de vapor se encuentra en la caja de acrílico en la parte inferior izquierda.

Después de que terminó la guerra, el reactor de grafito se convirtió en la primera instalación en el mundo en producir isótopos radiactivos para uso en tiempos de paz. [1] [60] El 2 de agosto de 1946, el director del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Eugene Wigner, presentó un pequeño contenedor de carbono-14 al director del Hospital de Cáncer y Piel Barnard Free, para uso médico en el hospital de St. Louis, Missouri . Los envíos posteriores de radioisótopos, principalmente yodo-131 , fósforo-32 , carbono-14 y molibdeno-99/ tecnecio-99m , fueron para usos científicos, médicos, industriales y agrícolas. [61]

En agosto de 1948, el reactor se utilizó para producir la primera electricidad derivada de la energía nuclear. Se irradiaron lingotes de uranio dentro de un tubo de aluminio dentro del núcleo del reactor. Se hizo circular agua a través del tubo por medio de un sistema automático de agua de alimentación para generar vapor. Este vapor se alimentaba a una máquina de vapor modelo , una Jensen Steam Engines #50, que impulsaba un pequeño generador que alimentaba una única bombilla. La máquina y el generador están en exhibición en el frente de carga del reactor, justo debajo de la escalera que conduce a la plataforma de carga. [62]

El reactor de grafito X-10 se cerró el 4 de noviembre de 1963, después de 20 años de uso. [63] Fue designado Monumento Histórico Nacional el 21 de diciembre de 1965, [1] [64] y se agregó al Registro Nacional de Lugares Históricos el 15 de octubre de 1966. [64] En 1969, la Sociedad Estadounidense de Metales lo incluyó en la lista de lugares de interés por sus contribuciones al avance de la ciencia y la tecnología de los materiales, [47] y en 2008 fue designado Monumento Químico Histórico Nacional por la Sociedad Química Estadounidense . [61] La sala de control y la cara del reactor son accesibles al público durante los recorridos programados que ofrece el Museo Estadounidense de Ciencia y Energía . [65]

Reactores similares

El reactor de investigación de grafito del Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL) fue el primer reactor nuclear que se construyó en los Estados Unidos después de la Segunda Guerra Mundial. [66] Dirigido por Lyle Benjamin Borst , la construcción del reactor comenzó en 1947 y alcanzó la criticidad el 22 de agosto de 1950. El reactor consistía en un cubo de grafito de 700 toneladas cortas (640 t) y 25 pies (7,6 m) alimentado por uranio natural. [67] Su misión principal era la investigación nuclear aplicada en medicina, biología, química, física e ingeniería nuclear. [68] Uno de los descubrimientos más importantes en esta instalación fue el desarrollo de la producción de molibdeno-99 /tecnecio-99m, utilizado hoy en decenas de millones de procedimientos de diagnóstico médico al año, lo que lo convierte en el radioisótopo médico más utilizado. El reactor de investigación de grafito del BNL se cerró en 1969 y se desmanteló por completo en 2012. [69]

Cuando Gran Bretaña comenzó a planificar la construcción de reactores nucleares para producir plutonio para armas en 1946, se decidió construir un par de reactores de grafito refrigerados por aire similares al reactor de grafito X-10 en Windscale . Se utilizó uranio natural, ya que no se disponía de uranio enriquecido , y de manera similar se eligió el grafito como moderador de neutrones porque la berilia era tóxica y difícil de fabricar, mientras que el agua pesada no estaba disponible. [70] Se consideró el uso de agua como refrigerante, pero existían preocupaciones sobre la posibilidad de una fusión nuclear catastrófica en las densamente pobladas Islas Británicas si fallaba el sistema de enfriamiento. [71] El helio fue nuevamente la opción preferida como gas refrigerante, pero la principal fuente de este era Estados Unidos, y bajo la Ley McMahon de 1946 , Estados Unidos no lo suministraría para la producción de armas nucleares, [72] por lo que al final se eligió el enfriamiento por aire. [73] La construcción comenzó en septiembre de 1947, y los dos reactores entraron en funcionamiento en octubre de 1950 y junio de 1951. [74] Ambos fueron desmantelados después del desastroso incendio de Windscale en octubre de 1957. [75] Fueron los últimos grandes reactores productores de plutonio refrigerados por aire; los diseños posteriores Magnox y AGR del Reino Unido utilizaban dióxido de carbono en su lugar. [76]

En 2016 [actualizar], todavía se encuentra en funcionamiento otro reactor de diseño similar al reactor de grafito X-10, el reactor belga BR-1 del SCK•CEN , ubicado en Mol, Bélgica . [77] Financiado a través del impuesto de exportación de uranio belga y construido con la ayuda de expertos británicos, [78] el reactor de investigación de 4 MW entró en estado crítico el 11 de mayo de 1956. [79] [80] Se utiliza para fines científicos, como el análisis de activación de neutrones , experimentos de física de neutrones, calibración de dispositivos de medición nuclear y la producción de silicio dopado por transmutación de neutrones . [81] [82]

Notas

  1. ^ abcdefghijk Rettig, Polly M. (8 de diciembre de 1975). Registro Nacional de Lugares Históricos Inventario-Nominación: Reactor X-10, Reactor de grafito (pdf) . Servicio de Parques Nacionales.y acompaña tres fotografías, interior, sin fecha  (32 KB)
  2. ^ Rhodes 1986, págs. 251–254.
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Lectura adicional

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