Calutrón
Espectómetro de masas

Un hombre se encuentra frente a un objeto en forma de C que es el doble de su tamaño.
Un tanque de calutrón Alpha retirado del imán para la recuperación de uranio-235

Un calutrón es un espectrómetro de masas diseñado y utilizado originalmente para separar los isótopos del uranio . Fue desarrollado por Ernest Lawrence durante el Proyecto Manhattan y se basó en su invención anterior, el ciclotrón . Su nombre deriva de California University Cyclotron, en homenaje a la institución de Lawrence, la Universidad de California , donde se inventó. Los calutrones se utilizaron en la planta de enriquecimiento de uranio Y-12 a escala industrial en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee . El uranio enriquecido producido se utilizó en la bomba atómica Little Boy que se detonó sobre Hiroshima el 6 de agosto de 1945.

El calutrón es un tipo de espectrómetro de masas sectorial , un instrumento en el que se ioniza una muestra y luego se acelera mediante campos eléctricos y se desvía mediante campos magnéticos . Los iones finalmente chocan con una placa y producen una corriente eléctrica medible . Dado que los iones de los diferentes isótopos tienen la misma carga eléctrica pero diferentes masas, los isótopos más pesados ​​son desviados menos por el campo magnético, lo que hace que el haz de partículas se separe en varios haces por masa, golpeando la placa en diferentes lugares. La masa de los iones se puede calcular de acuerdo con la fuerza del campo y la carga de los iones. Durante la Segunda Guerra Mundial , se desarrollaron calutrones para usar este principio para obtener cantidades sustanciales de uranio-235 de alta pureza, aprovechando la pequeña diferencia de masa entre los isótopos de uranio.

La separación electromagnética para enriquecer el uranio se abandonó en el período de posguerra en favor del método de difusión gaseosa , más complicado pero más eficiente . Aunque la mayoría de los calutrones del Proyecto Manhattan se desmantelaron al final de la guerra, algunos siguieron utilizándose para producir muestras enriquecidas isotópicamente de elementos naturales para fines militares, científicos y médicos.

Orígenes

La noticia del descubrimiento de la fisión nuclear por los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1938, y su explicación teórica por Lise Meitner y Otto Frisch , fue traída a los Estados Unidos por Niels Bohr . [1] Basándose en su modelo de gota líquida del núcleo, teorizó que era el isótopo uranio-235 y no el uranio-238 más abundante el principal responsable de la fisión con neutrones térmicos . [2] Para verificar esto, Alfred O. C. Nier en la Universidad de Minnesota utilizó un espectrómetro de masas para crear una cantidad microscópica de uranio-235 enriquecido en abril de 1940. John R. Dunning , Aristid von Grosse y Eugene T. Booth pudieron entonces confirmar que Bohr estaba en lo cierto. [3] [4] Leo Szilard y Walter Zinn pronto confirmaron que se liberaba más de un neutrón por fisión, lo que hacía casi seguro que se podía iniciar una reacción nuclear en cadena y, por lo tanto, que el desarrollo de una bomba atómica era una posibilidad teórica. [5] Había temores de que un proyecto alemán de bomba atómica desarrollara una primero, especialmente entre los científicos que eran refugiados de la Alemania nazi y otros países fascistas . [6]

Diagrama que muestra la fuente, la corriente de partículas que se desvía 180° y queda atrapada en el colector.
Diagrama de separación de isótopos de uranio en el calutrón

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 enemigos extranjeros les impedía trabajar en proyectos secretos como el radar . [7] Su memorando Frisch-Peierls de marzo de 1940 indicaba que la masa crítica del uranio-235 estaba dentro de un orden de magnitud de 10 kg, que era lo suficientemente pequeño como para ser transportado por un bombardero de la época. [8] El Comité Maud británico recomendó entonces por unanimidad continuar con el desarrollo de una bomba atómica. [9] Gran Bretaña había ofrecido dar a los Estados Unidos acceso a su investigación científica, [10] por lo que John Cockcroft, de la Misión Tizard , informó a los científicos estadounidenses sobre los desarrollos británicos. Descubrió que el proyecto estadounidense era más pequeño que el británico y no estaba tan avanzado. [11]

Oliphant, decepcionado, voló a los Estados Unidos para hablar con los científicos estadounidenses, entre ellos Ernest Lawrence, del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley . [12] Los dos hombres se habían conocido antes de la guerra y eran amigos. [13] Lawrence quedó lo suficientemente impresionado como para comenzar su propia investigación sobre el uranio. [12] El uranio-235 constituye solo alrededor del 0,72% del uranio natural, [14] por lo que el factor de separación de cualquier proceso de enriquecimiento de uranio debe ser superior a 125 para producir el 90% de uranio-235 a partir de uranio natural. [15] El Comité Maud había recomendado que esto se hiciera mediante un proceso de difusión gaseosa , [8] pero Oliphant había sido pionero en otra técnica en 1934: la separación electromagnética. [16] Este era el proceso que había utilizado Nier. [12]

El principio de la separación electromagnética es que los iones cargados son desviados por un campo magnético, y los más ligeros se desvían más que los pesados. La razón por la que el Comité Maud, y más tarde su homólogo estadounidense, la Sección S-1 de la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD), habían pasado por alto el método electromagnético era que, si bien el espectrómetro de masas era capaz de separar isótopos, producía rendimientos muy bajos. [17] La ​​razón de esto fue la llamada limitación de carga espacial . Los iones positivos tienen carga positiva, por lo que tienden a repelerse entre sí, lo que hace que el haz se disperse. Basándose en su experiencia con el control preciso de los haces de partículas cargadas de su trabajo con su invento, el ciclotrón , Lawrence sospechó que las moléculas de aire en la cámara de vacío neutralizarían los iones y crearían un haz enfocado. Oliphant inspiró a Lawrence a convertir su viejo ciclotrón de 37 pulgadas (94 cm) en un espectrómetro de masas gigante para la separación de isótopos . [12]

Cuatro hombres de traje se inclinan sobre una pieza de maquinaria.
Frank Oppenheimer (centro a la derecha) y Robert Thornton (derecha) examinan el emisor de 4 fuentes para el calutrón Alpha mejorado.

El ciclotrón de 37 pulgadas de Berkeley fue desmantelado el 24 de noviembre de 1941, y su imán se utilizó para crear el primer calutrón. [18] Su nombre proviene de la Universidad de California y el ciclotrón . [ 19] El trabajo fue financiado inicialmente por el Laboratorio de Radiación con sus propios recursos, con una subvención de $5,000 de la Research Corporation . En diciembre, Lawrence recibió una subvención de $400,000 del Comité de Uranio S-1. [20] El calutrón consistía en una fuente de iones, en forma de una caja con una ranura en ella y filamentos calientes en su interior. El tetracloruro de uranio era ionizado por el filamento y luego pasaba a través de una ranura de 0,04 por 2 pulgadas (1,0 por 50,8 mm) hacia una cámara de vacío. Luego, el imán se utilizó para desviar el haz de iones en 180°. Los haces enriquecidos y empobrecidos iban a parar a los colectores. [21] [22]

Cuando el calutrón se puso en funcionamiento por primera vez el 2 de diciembre de 1941, apenas unos días antes de que el ataque japonés a Pearl Harbor llevara a Estados Unidos a la Segunda Guerra Mundial , el colector recibió una intensidad de haz de uranio de 5 microamperios (μA). La intuición de Lawrence sobre el efecto de las moléculas de aire en la cámara de vacío se confirmó. Un funcionamiento de nueve horas el 14 de enero de 1942 con un haz de 50 μA produjo 18 microgramos (μg) de uranio enriquecido al 25% de uranio-235, aproximadamente diez veces más de lo que Nier había producido. En febrero, las mejoras en la técnica le permitieron generar un haz de 1.400 μA. Ese mes, se enviaron muestras de 75 μg enriquecidas al 30% a los británicos y al Laboratorio Metalúrgico de Chicago. [22]

Otros investigadores también investigaron la separación electromagnética de isótopos. En la Universidad de Princeton , un grupo dirigido por Henry D. Smyth y Robert R. Wilson desarrolló un dispositivo conocido como isotrón. Utilizando un klistrón , pudieron separar isótopos utilizando electricidad de alto voltaje en lugar de magnetismo. [23] El trabajo continuó hasta febrero de 1943, cuando, en vista del mayor éxito del calutrón, se interrumpió el trabajo y el equipo fue transferido a otras tareas. [18] En la Universidad de Cornell, un grupo dirigido por Lloyd P. Smith que incluía a William E. Parkins y A. Theodore Forrester ideó un separador magnético radial. Se sorprendieron de que sus haces fueran más precisos de lo esperado y, como Lawrence, dedujeron que era el resultado de la estabilización del haz por aire en la cámara de vacío. En febrero de 1942, su equipo se fusionó con el de Lawrence en Berkeley. [24] [25]

Investigación

Aunque se había demostrado que el proceso funcionaba, todavía se requería un esfuerzo considerable antes de que se pudiera probar un prototipo en el campo. Lawrence reunió a un equipo de físicos para abordar los problemas, incluidos David Bohm , [26] Edward Condon , Donald Cooksey , [27] A. Theodore Forrester, [28] Irving Langmuir , Kenneth Ross MacKenzie , Frank Oppenheimer , J. Robert Oppenheimer , William E. Parkins, Bernard Peters y Joseph Slepian . [27] En noviembre de 1943 se les unió una misión británica encabezada por Oliphant que incluía a los físicos australianos Harrie Massey y Eric Burhop , y físicos británicos como Joan Curran y Thomas Allibone . [29] [30]

Edificio muy grande con un extraño artilugio. Unas escaleras conducen a algunas partes del mismo.
La unidad de desarrollo XAX en Oak Ridge se utilizó para investigación, desarrollo y capacitación.

Lawrence tenía un gran ciclotrón en construcción en Berkeley, uno con un imán de 184 pulgadas (470 cm). [31] Este se convirtió en un calutrón que se encendió por primera vez el 26 de mayo de 1942. [32] Al igual que la versión de 37 pulgadas, parecía una C gigante cuando se miraba desde arriba. El operador se sentaba en el extremo abierto, desde donde se podía regular la temperatura, ajustar la posición de los electrodos e incluso reemplazar componentes a través de una esclusa de aire mientras estaba en funcionamiento. El nuevo calutrón, más potente, no se utilizó para producir uranio enriquecido, sino para experimentos con múltiples fuentes de iones. Esto significaba tener más colectores, pero multiplicaba el rendimiento. [33] [34]

El problema era que los haces interferían entre sí, produciendo una serie de oscilaciones llamadas hash. En septiembre de 1942 se ideó un dispositivo que minimizaba la interferencia, lo que dio como resultado la producción de haces razonablemente buenos. Robert Oppenheimer y Stan Frankel inventaron la cuña magnética , un dispositivo utilizado para ajustar la homogeneidad de un campo magnético. [35] Se trataba de láminas de hierro de unos 3 pies (1 m) de ancho que se atornillaban a la parte superior e inferior del tanque de vacío. El efecto de las cuñas era aumentar ligeramente el campo magnético de tal manera que ayudara a enfocar el haz de iones. El trabajo sobre las cuñas continuaría hasta 1943. [33] [34] Las principales patentes de calutrón fueron Métodos y aparatos para separar materiales (Lawrence), [36] Calzas magnéticas (Oppenheimer y Frankel), [35] y Sistema Calutrón (Lawrence). [37]

Burhop y Bohm estudiaron posteriormente las características de las descargas eléctricas en campos magnéticos, hoy conocidas como difusión de Bohm . Sus artículos sobre las propiedades de los plasmas bajo contención magnética encontrarían aplicación en el mundo de la posguerra en la investigación sobre la fusión nuclear controlada . [38] Otros problemas técnicos eran más mundanos pero no menos importantes. Aunque los haces tenían una intensidad baja, podían, tras muchas horas de funcionamiento, fundir los colectores. Por tanto, se añadió un sistema de refrigeración por agua a los colectores y al revestimiento del tanque. Se desarrollaron procedimientos para limpiar la "porquería" que se condensaba en el interior del tanque de vacío. Un problema particular era el bloqueo de las ranuras por "porquería", que hacía que los haces de iones perdieran el foco o se detuvieran por completo. [39]

Los químicos tuvieron que encontrar una manera de producir cantidades de tetracloruro de uranio ( UCl
4) a partir de óxido de uranio . [40] (Nier había utilizado bromuro de uranio). [41] Inicialmente, lo produjeron utilizando hidrógeno para reducir el trióxido de uranio ( UO
3) al dióxido de uranio ( UO
2), que luego reaccionó con tetracloruro de carbono ( CCl
4) para producir tetracloruro de uranio. Charles A. Kraus propuso un método mejor para la producción a gran escala que implicaba hacer reaccionar el óxido de uranio con tetracloruro de carbono a alta temperatura y presión. Esto produjo pentacloruro de uranio ( UCl
5) y fosgeno ( COCl
2). Aunque no es tan desagradable como el hexafluoruro de uranio utilizado en el proceso de difusión gaseosa, el tetracloruro de uranio es higroscópico , por lo que el trabajo con él debía realizarse en cajas de guantes que se mantenían secas con pentóxido de fósforo ( P
4Oh
10). La presencia de fosgeno, un gas letal responsable de 85.000 muertes como arma química durante la Primera Guerra Mundial , requería que los químicos usaran máscaras de gas al manipularlo. [40]

De los 19,6 millones de dólares gastados en investigación y desarrollo del proceso electromagnético, 18 millones (92 por ciento) se gastaron en el Laboratorio de Radiación en Berkeley, y se realizaron más trabajos en la Universidad Brown , la Universidad Johns Hopkins y la Universidad Purdue , y por la corporación Tennessee Eastman . [42] Durante 1943, el énfasis pasó de la investigación al desarrollo, la ingeniería y la capacitación de trabajadores para operar las instalaciones de producción en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee . A mediados de 1944, había casi 1200 personas trabajando en el Laboratorio de Radiación. [43]

Diseño

Gran parte del gran progreso en el proceso electromagnético puede atribuirse al estilo de liderazgo de Lawrence. Su audacia, optimismo y entusiasmo eran contagiosos. Su personal trabajaba muchas horas y los administradores de la Universidad de California eliminaron los trámites burocráticos a pesar de no saber de qué se trataba el proyecto. Los funcionarios del gobierno comenzaron a ver el desarrollo de bombas atómicas a tiempo para afectar el resultado de la guerra como una posibilidad genuina. Vannevar Bush , el director de la OSRD, que supervisaba el proyecto, visitó Berkeley en febrero de 1942 y encontró la atmósfera allí "estimulante" y "refrescante". [44] El 9 de marzo de 1942, informó al presidente, Franklin D. Roosevelt , que podría ser posible producir suficiente material para una bomba a mediados de 1943, basándose en nuevas estimaciones de Robert Oppenheimer de que la masa crítica de una esfera de uranio-235 puro estaba entre 2,0 y 2,5 kilogramos. [45] [46]

Dos filas de paneles de control con diales e interruptores. Los operadores se sientan en ellos en taburetes de cuatro patas.
Paneles de control y operadores de calutrones en la Planta Y-12 de Oak Ridge . Los operadores, en su mayoría mujeres, trabajaban en turnos que abarcaban las 24 horas del día.

Los experimentos con el imán de 184 pulgadas condujeron a la construcción de un prototipo de calutrón llamado XA. Contenía un imán rectangular de tres bobinas con un campo horizontal en el que los tanques de calutrón podían estar uno al lado del otro, con cuatro tanques de vacío, cada uno con una fuente doble. [47] En la reunión del 25 de junio de 1942 del Comité Ejecutivo S-1, que había reemplazado al Comité de Uranio S-1 el 19 de junio, hubo una propuesta para construir la planta electromagnética en Oak Ridge, donde se ubicarían las otras instalaciones de separación de uranio del Proyecto Manhattan , por razones de economía y seguridad. Lawrence presentó una objeción debido a su deseo de que la planta de separación electromagnética se ubicara mucho más cerca de Berkeley. [48] El área de la presa Shasta en California siguió siendo considerada para la planta electromagnética hasta septiembre de 1942, momento en el que Lawrence había retirado su objeción. [49] La reunión del 25 de junio también designó a Stone & Webster como el contratista principal para el diseño y la ingeniería. [50]

El Ejército asumió la responsabilidad del Proyecto Manhattan el 17 de septiembre de 1942, con el general de brigada Leslie R. Groves, Jr. , como director, [51] aunque el Ejército no se hizo cargo formalmente de los contratos con la Universidad de California de la OSRD hasta el 1 de mayo de 1943. [52] El mayor Thomas T. Crenshaw, Jr., se convirtió en ingeniero de área de California en agosto de 1942, con el capitán Harold A. Fidler , quien pronto lo reemplazó, como su asistente. Crenshaw estableció su oficina en el Laboratorio Donner de la Universidad de California. [53] [54] En septiembre de 1942, el Comité Ejecutivo del S-1 recomendó que se construyera una planta piloto de cinco tanques junto con una sección de 200 tanques de una planta de producción. [51]

Entre octubre de 1942 y noviembre de 1943, Groves realizó visitas mensuales al Laboratorio de Radiación en Berkeley. [46] Los informes indicaban que, en comparación con las alternativas de una planta de difusión gaseosa o un reactor nuclear productor de plutonio , una planta electromagnética tardaría más tiempo y requeriría materiales más escasos para su construcción, y necesitaría más mano de obra y más electricidad para funcionar. Por lo tanto, el costo de un kilogramo de material fisionable sería mucho mayor. Por otro lado, si bien los procesos alternativos aún enfrentaban obstáculos técnicos considerables, se demostró que el proceso electromagnético funcionaba y podía construirse en etapas que comenzarían inmediatamente a producir material fisionable. [55] Groves canceló la planta piloto el 14 de noviembre, a favor de proceder inmediatamente con la planta de producción. [56]

El Laboratorio de Radiación envió los diseños preliminares para una planta de producción a Stone & Webster antes de fin de año, pero una cuestión importante seguía sin resolverse. Oppenheimer sostenía que el uranio apto para armas tendría que ser uranio-235 puro al 90%. Edward Lofgren y Martin Kamen pensaban que esto no podría lograrse sin una segunda etapa de enriquecimiento. [39] Las dos etapas se conocieron como Alpha y Beta. [57] En marzo de 1943, Groves aprobó la construcción de cinco pistas de carreras Alpha y dos Beta. En septiembre, autorizó cuatro pistas de carreras Alpha más, que se conocieron como Alpha II, junto con dos pistas de carreras Beta más para procesar su producto. [39] [58]

Construcción

Una serie de edificios industriales con muchos postes y cables eléctricos, con un par de chimeneas al fondo.
La planta electromagnética Y-12

La construcción de la planta electromagnética de Oak Ridge, con nombre en código Y-12 , comenzó el 18 de febrero de 1943. La instalación llegaría a comprender nueve edificios de proceso importantes y otras 200 estructuras que cubrirían casi 80 acres (32 ha) de espacio de planta. El sitio de 825 acres (334 ha) en Bear Creek Valley al suroeste del municipio de Oak Ridge fue seleccionado con la esperanza de que las líneas de cresta circundantes pudieran contener una gran explosión o un accidente nuclear. [59] Los problemas con el sustrato requirieron que los equipos de excavación realizaran más voladuras y excavaciones para proporcionar cimientos adecuados para la maquinaria pesada en las instalaciones. [60]

Se suministraron todo tipo de materiales y suministros: 2.157 vagones llenos de equipos eléctricos, 1.219 de equipos pesados, 5.389 de madera, 1.407 de tuberías y accesorios, 1.188 de acero, 257 de válvulas y 11 de electrodos de soldadura. Las pistas de carreras requerían 85.000 tubos de vacío . Siempre que fue posible, se utilizaron componentes disponibles comercialmente, pero muchos de los componentes de los calutrones eran únicos. [61] Se establecieron dos departamentos de compras, uno en Boston, cerca de Stone & Webster, para los equipos de las instalaciones, y el otro en Oak Ridge para los suministros de construcción. [62]

El ingeniero jefe del distrito de Manhattan, el coronel James C. Marshall , y su adjunto, el teniente coronel Kenneth D. Nichols , descubrieron que el proceso de separación de isótopos electromagnéticos requeriría 5.000 toneladas cortas (4.500 toneladas) de cobre , que escaseaba desesperadamente. Sin embargo, se dieron cuenta de que se podía sustituir por plata , en una proporción de cobre:plata de 11:10. El 3 de agosto de 1942, Nichols se reunió con el subsecretario del Tesoro , Daniel W. Bell , y le pidió la transferencia de lingotes de plata del Depósito de lingotes de West Point . Nichols recordó más tarde la conversación:

Me explicó el procedimiento para transferir la plata y me preguntó: "¿Cuánta plata necesitas?". Le respondí: "Seis mil toneladas". "¿Cuántas onzas troy son esas?", me preguntó. De hecho, yo no sabía cómo convertir toneladas a onzas troy, y él tampoco. Un poco impaciente, le respondí: "No sé cuántas onzas troy necesitamos, pero sé que necesito seis mil toneladas; esa es una cantidad definida. ¿Qué diferencia hay en cómo expresemos la cantidad?". Me respondió con cierta indignación: "Joven, puedes pensar en la plata en toneladas, pero el Tesoro siempre pensará en la plata en onzas troy". [63]

Finalmente, se utilizaron 14.700 toneladas cortas (13.300 toneladas; 430.000.000 onzas troy) de plata, [64] que entonces valían más de 600 millones de dólares. [65] Nichols tuvo que proporcionar una contabilidad mensual al Tesoro. Las barras de plata de 1.000 onzas troy (31 kg) fueron llevadas bajo custodia a la Defense Plant Corporation en Carteret, Nueva Jersey , donde se fundieron en tochos cilíndricos, y luego a Phelps Dodge en Bayway, Nueva Jersey , donde se extruyeron en tiras de 0,625 pulgadas (15,9 mm) de espesor, 3 pulgadas (7,6 cm) de ancho y 40 pies (12 m) de largo. Unos 258 vagones fueron enviados bajo custodia por ferrocarril a Allis-Chalmers en Milwaukee, Wisconsin , donde se enrollaron en bobinas magnéticas y se sellaron en carcasas soldadas. [66] Finalmente, se trasladaron en vagones planos sin vigilancia a la fábrica de ingenieros Clinton. Allí se instituyeron procedimientos especiales para manipular la plata. Cuando tenían que hacer agujeros en ella, lo hacían sobre papel para poder recoger las limaduras. Después de la guerra, se desmanteló y limpió toda la maquinaria y se arrancaron y quemaron las tablas del suelo debajo de la maquinaria para recuperar cantidades minúsculas de plata. Al final, se perdieron 155.645,39 onzas troy (4.841,113 kg), es decir, menos del 0,036 %. [65] [67] [68] En mayo de 1970, las últimas 67 toneladas cortas (61 toneladas; 2.000.000 de onzas troy) de plata se reemplazaron por cobre y se devolvieron al Tesoro. [69]

Una gran estructura de forma ovalada.
Hipódromo Alpha I. Los calutrones están ubicados alrededor del ring.

La pista de carreras XAX con dos tanques y tres bobinas estaba lista para entrenar a los trabajadores en agosto de 1943. Se descubrieron errores , pero no se hizo un seguimiento agresivo. El primer edificio del proceso Alpha, 9201-1, se completó el 1 de noviembre de 1943. Cuando la primera pista de carreras se puso en marcha para las pruebas según lo programado en noviembre, los tanques de vacío de 14 toneladas se desalinearon hasta 3 pulgadas (8 cm) debido a la potencia de los imanes y tuvieron que sujetarse de forma más segura. Surgió un problema más grave cuando las bobinas magnéticas comenzaron a cortocircuitarse. En diciembre, Groves ordenó que se abriera un imán y se encontraron puñados de óxido en el interior. La humedad también era un problema en sí misma, al igual que el bobinado del cable, que estaba demasiado apretado. Groves ordenó que se derribaran las pistas de carreras y que los imanes se enviaran de vuelta a la fábrica para limpiarlos y rebobinarlos. [62] [70] Se instituyeron estándares rígidos de preparación y limpieza para evitar la recurrencia de estos problemas. [71]

El entrenamiento para las pistas Beta se trasladó del circuito XAX al circuito de entrenamiento y desarrollo XBX en noviembre de 1943. [72] Un segundo circuito Alpha I se puso en funcionamiento en enero de 1944. El primer circuito Beta y el tercero y primer circuito Alpha, ahora reparados, se pusieron en funcionamiento en marzo de 1944, y el cuarto circuito Alpha en abril de 1944. Un tercer edificio, 9201-3, contenía un quinto circuito que incorporaba algunas modificaciones, y era conocido como Alpha I 1 ⁄ 2 . Este se puso en funcionamiento el 3 de junio de 1944. El trabajo en los edificios de química Alpha y Beta, 9202 y 9203, comenzó en febrero de 1943, y se completó en septiembre. Las obras en el edificio del proceso Beta, 9204-1, comenzaron en mayo de 1943 y estuvieron listas para funcionar el 13 de marzo de 1944, pero no se completaron hasta septiembre de 1944. [73] [74] [75]

Groves autorizó Alpha II en septiembre de 1943. Esto consistía en dos nuevos edificios de proceso Alpha, 9201-4 y 9201-5, otro Beta, 9204-2, una ampliación del edificio de química Alpha y un nuevo edificio de química Beta, 9206. Cuando se inauguró el 9206, el antiguo edificio de química Beta, 9203, se convirtió en un laboratorio. El trabajo en los nuevos edificios de proceso Alpha II comenzó el 2 de noviembre de 1943; la primera pista de carreras se completó en julio de 1944 y las cuatro estuvieron operativas el 1 de octubre de 1944. Las pistas de carreras Alpha II estaban configuradas en un diseño lineal en lugar de ovalado, aunque todavía se las llamaba pistas de carreras. [73] [74] [75] En total, había 864 calutrones Alpha, dispuestos en nueve pistas de carreras de 96. Había solo 36 calutrones en cada pista de carreras Beta, para un total de 288 calutrones, aunque solo 216 de ellos estuvieron en funcionamiento. [57]

El 20 de octubre de 1943 se iniciaron las obras del nuevo edificio de proceso Beta. El 1 de abril de 1944 se inició la instalación de los equipos y el 10 de septiembre de 1944 estuvo listo para su uso. En mayo de 1944 se autorizó la construcción de un tercer edificio de proceso Beta, el 9204-3, para procesar el producto de salida de la planta de difusión gaseosa K-25 . Se completó el 15 de mayo de 1945. El 2 de abril de 1945 se autorizó la construcción de un cuarto edificio de proceso Beta, el 9204-4, que se completó el 1 de diciembre de 1945. En junio de 1944 se inició la construcción de un nuevo grupo de edificios de química Alpha, conocido como el grupo 9207, pero las obras se detuvieron en junio de 1945 antes de que se completaran. Junto con estos edificios principales, había oficinas, talleres, almacenes y otras estructuras. Había dos plantas de vapor para calefacción y una planta de energía para electricidad. [75] [73]

Operaciones

Una estructura larga y de forma rectangular.
Pista de carreras Beta. Estas pistas de carreras de segunda etapa eran más pequeñas que las pistas de carreras Alpha y contenían menos contenedores de procesamiento. Tenga en cuenta que se abandonó la forma ovalada de la pista de carreras Alpha I para facilitar el mantenimiento.

Las pistas de carreras Alpha eran una ampliación de 24 veces del calutrón XA que podía albergar 96 tanques de calutrones Alpha. Los calutrones estaban en posición vertical y dispuestos uno frente al otro en pares de máquinas internas y externas. Para minimizar las pérdidas magnéticas y economizar en el consumo de acero, el conjunto se curvó en una forma ovalada que formaba un bucle magnético cerrado de 122 pies (37 m) de largo, 77 pies (23 m) de ancho y 15 pies (4,6 m) de alto, en forma de pista de carreras; de ahí el nombre. [39] Los dos edificios Alpha I, 9201-1 y 9201-2, contenían cada uno dos pistas de carreras, con solo una en Alpha I 1 ⁄ 2 , 9201-3. Las pistas de carreras Beta eran más pequeñas, de forma lineal y optimizadas para la recuperación en lugar de la producción, con solo 36 tolvas de proceso en lugar de 96. Las cuatro pistas de carreras Alpha II también tenían una configuración lineal. Incorporaron muchas mejoras, siendo la más importante que contaban con cuatro fuentes en lugar de sólo dos. [73] [75] También contaban con imanes y sistemas de vacío mejorados. [76]

Tennessee Eastman fue contratado para gestionar el Y-12 con el coste habitual más una tarifa fija, con una tarifa de 22.500 dólares al mes más 7.500 dólares por pista de carreras para las primeras siete pistas de carreras y 4.000 dólares por pista de carreras adicional. Los trabajadores fueron reclutados en el área de Knoxville. La recluta típica era una mujer joven, recién graduada de una escuela secundaria local. El entrenamiento se llevó a cabo inicialmente en la Universidad de Tennessee . El entrenamiento se trasladó a Berkeley de abril a septiembre de 1943, donde se llevó a cabo en el calutrón XA y un modelo a escala 1:16 de la pista de carreras Alpha, y luego a Oak Ridge cuando el calutrón XAX estuvo disponible. Se necesitarían unos 2.500 operadores una vez que todos los calutrones Alpha II estuvieran disponibles. La nómina de Tennessee Eastman en el Y-12 aumentó de 10.000 a mediados de 1944 a 22.482 en agosto de 1945. Por razones de seguridad, a los alumnos no se les informó sobre el propósito del equipo que se les enseñó a operar. [77] [78]

Una estructura larga y de forma rectangular.
Pista de carreras Alpha II. Había cuatro de estas.

Los calutrones fueron operados inicialmente por científicos de Berkeley para eliminar errores y lograr una tasa de operación razonable. Luego, los operadores de Tennessee Eastman tomaron el control. Nichols comparó los datos de producción de la unidad y le señaló a Lawrence que las jóvenes operadoras "hillbilly" estaban produciendo más que sus doctores. Acordaron una carrera de producción y Lawrence perdió, un estímulo moral para las " Chicas Calutron " (llamadas Operadoras de Cubículo en ese momento) y sus supervisoras. Las mujeres fueron entrenadas como soldados para no razonar por qué, mientras que "los científicos no podían abstenerse de investigar, lo que consumía mucho tiempo, la causa de las fluctuaciones incluso más pequeñas de los diales". [79]

Durante un tiempo, los calutrones sufrieron una serie de averías debilitantes y fallos de equipo, agravados por la escasez de piezas de repuesto. Las esperanzas de que las pistas de carreras Alpha II fueran más fiables pronto se desvanecieron, ya que estaban plagadas de fallos en los aisladores. Estos problemas se superaron gradualmente. Los primeros envíos de uranio enriquecido al Laboratorio de Los Álamos del Proyecto Manhattan se realizaron en marzo de 1944, consistentes en producto Alpha enriquecido hasta un 13 a 15 por ciento de uranio-235. Aunque no era de ninguna utilidad en una bomba, se necesitaba con urgencia para experimentos con uranio enriquecido. El último envío de producto Alpha se realizó el 11 de mayo de 1944. El 7 de junio de 1944, Y-12 realizó su primera entrega de producto Beta de grado armamentístico , enriquecido hasta un 89 por ciento de uranio-235. [77] [80]

Un problema importante fue la pérdida de materia prima y de producto. Sólo una parte de cada 5.825 de la materia prima se convirtió en producto terminado. Alrededor del 90 por ciento se salpicó sobre las botellas de alimentación o los tanques de vacío. El problema fue particularmente agudo con la alimentación enriquecida de los calutrones Beta. Se hicieron esfuerzos extraordinarios para recuperar el producto, incluida la quema de los revestimientos de carbono del receptor para recuperar el uranio que contenían. A pesar de todo, se perdió alrededor del 17,4 por ciento del producto Alpha y el 5,4 por ciento del producto Beta. Frank Spedding , del Laboratorio Ames del Proyecto Manhattan , y Philip Baxter, de la Misión Británica, fueron enviados para asesorar sobre mejoras en los métodos de recuperación. [81] La muerte de un trabajador por exposición al fosgeno también impulsó la búsqueda de un proceso de producción más seguro. [40]

En febrero de 1945, comenzó a llegar material de alimentación de uranio-235 ligeramente enriquecido al 1,4 por ciento desde la planta de difusión térmica líquida S-50 . Los envíos de producto desde S-50 se interrumpieron en abril. El producto S-50 se alimentó en su lugar a K-25. [82] En marzo de 1945, Y-12 comenzó a recibir alimentación enriquecida al 5 por ciento desde K-25. [83] La salida de estas plantas fue en forma de hexafluoruro de uranio ( UF
6). Se convirtió en trióxido de uranio, que luego pasó al proceso habitual de conversión a tetracloruro de uranio. [84] El 5 de agosto de 1945, K-25 comenzó a producir material enriquecido al 23 por ciento, suficiente para ser alimentado directamente a las pistas de carreras Beta. El producto Alpha restante se alimentó luego a K-25. Para septiembre de 1945, los calutrones habían producido 88 kilogramos de producto con un enriquecimiento promedio del 84,5 por ciento, y las pistas de carreras Beta produjeron otros 953 kilogramos enriquecidos al 95 por ciento para fin de año. [83] El uranio enriquecido de los calutrones proporcionó el componente fisible de la bomba atómica Little Boy utilizada en el bombardeo atómico de Hiroshima en agosto de 1945. [39] [85]

Proyecto Manhattan – Costos del proyecto electromagnético hasta el 31 de diciembre de 1946 [86]
SitioCosto (1946 USD)Costo (USD 2023)% del total
Construcción304 millones de dólares4.75 mil millones de dólares53%
Operaciones240 millones de dólares3.75 mil millones de dólares41,9%
Investigación19,6 millones de dólares307 millones de dólares3,4%
Diseño6,63 millones de dólares104 millones de dólares1,2%
Programa Plata2,48 millones de dólares38,8 millones de dólares0,4%
Total573 millones de dólares8.95 mil millones de dólares

Una vez terminada la guerra, las pistas Alpha comenzaron a suspender sus operaciones el 4 de septiembre de 1945, y cesaron por completo su actividad el 22 de septiembre. Las dos últimas pistas Beta entraron en pleno funcionamiento en noviembre y diciembre de 1945, procesando el material de alimentación de la K-25 y de la nueva planta de difusión gaseosa K-27. [87] En mayo de 1946, los estudios sugirieron que las plantas de difusión gaseosa podían enriquecer completamente el uranio por sí mismas sin crear accidentalmente una masa crítica. [88] Después de que un ensayo demostrara que este era el caso, Groves ordenó el cierre de todas las pistas Beta menos una en diciembre de 1946. [89]

El coste total del proyecto electromagnético hasta el final del Proyecto Manhattan el 31 de diciembre de 1946 fue de 673 millones de dólares (equivalente a 10.500 millones de dólares en 2023). [86]

Años de posguerra

Bobinas de plata Calutron antes de ser fundidas y devueltas al Tesoro de los EE. UU.

La fuerza laboral en Y-12 se redujo de un pico en tiempos de guerra de 22.482 el 21 de agosto de 1945 a menos de 1.700 en 1949. [69] Todos los calutrones fueron retirados y desmantelados, excepto las pistas de entrenamiento XAX y XBX en el edificio 9731, y las pistas de carreras Beta 3 en el edificio 9204-3. [90] [91] En 1947, Eugene Wigner , el director del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), solicitó a la Comisión de Energía Atómica permiso para usar los calutrones Beta para producir isótopos para experimentos de física. Se concedió el permiso y se produjo una amplia gama de isótopos. El litio-6 de los calutrones Beta se utilizó para la investigación de armas termonucleares . Muchos otros isótopos se utilizaron con fines científicos y médicos pacíficos. [92] Las pistas de carreras Beta 3 fueron transferidas al ORNL en marzo de 1950. [91] A mediados de la década de 1950, los calutrones Beta habían producido cantidades de todos los isótopos estables naturales, excepto los de osmio , que tuvieron que esperar hasta abril de 1960. [93] Los calutrones continuaron produciendo isótopos hasta 1998. [94] A partir de 2015 [actualizar], todavía están en espera. [95]

Otros países

Unión Soviética y China

Al igual que Estados Unidos, la Unión Soviética (URSS) llevó a cabo investigaciones sobre tecnologías de enriquecimiento múltiple para el proyecto soviético de la bomba atómica . En 1946 se llevó a cabo un proceso electromagnético de prueba con un calutrón utilizando un imán traído de Alemania. Se eligió un sitio para una planta electromagnética en Sverdlovsk-45 en 1946. La planta piloto, conocida como Planta 418, se completó en 1948. Se desarrolló un diseño más eficiente en el que los haces de partículas se doblaban 225° en lugar de 180° como en el calutrón estadounidense. Se utilizó para completar el proceso de enriquecimiento de uranio después de que se encontraran dificultades técnicas con el proceso de difusión gaseosa. El uranio enriquecido a aproximadamente el 40 por ciento de uranio-235 se llevó a Sverdlovsk-45 para el enriquecimiento final entre el 92 y el 98 por ciento. Después de que se resolvieron los problemas con el proceso de difusión gaseosa en 1950, se decidió no proceder con una planta electromagnética a gran escala. [96] [97] A partir de 2009 [actualizar], sigue en funcionamiento. [91] En 1969, se construyó un calutrón de investigación conocido como S-2 en Arzamas-16 para la separación de alta eficiencia de isótopos de elementos pesados ​​como el plutonio. [96] [98] [99]

A principios de los años 1960 se construyeron en el Instituto de Energía Atómica de China en Pekín cuatro calutrones de investigación y producción de diseño idéntico a los de la URSS. [100] [101] [102]

Reino Unido

En 1945, el proyecto británico de la bomba atómica construyó un calutrón de 180°, de diseño similar al calutrón Beta estadounidense, en el Atomic Energy Research Establishment de Harwell, Oxfordshire . Debido al éxito de la planta de difusión gaseosa de Capenhurst , el Reino Unido no siguió adelante con la separación electromagnética y el calutrón se utilizó para separar isótopos para la investigación. El diseño de 180° no era ideal para este propósito, por lo que Harwell construyó un calutrón de 90°, HERMES, el "Separador electromagnético de elementos pesados ​​y material radiactivo". [103] Se inspiró en los separadores franceses SIDONIE y PARIS del Laboratoire René Bernas de la Universidad de París IX en Orsay , y PARSIFAL del laboratorio de investigación militar del Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives en Bruyères-le-Châtel . [104] [105]

Israel, Japón y Francia

Israel, Japón y Francia también construyeron algunos calotrones de investigación, incluidos los separadores SOLIS y MEIRA en el Centro de Investigación Nuclear Soreq . También está el detector en línea separador de isótopos (ISOLDE) del CERN , que se construyó en 1967. [106]

India

Un calutrón del Instituto Saha de Física Nuclear en Bidhan Nagar , India, se utilizó para producir plutonio para la primera prueba nuclear de la India el 18 de mayo de 1974. [96] [107]

Irak

Después de la Guerra del Golfo de 1990-91 , la UNSCOM determinó que Irak había estado llevando a cabo un programa de calutrones para enriquecer uranio. [108] Irak eligió desarrollar el proceso electromagnético en lugar de métodos de enriquecimiento más modernos, económicos y eficientes porque los calutrones eran más fáciles de construir, presentaban menos desafíos técnicos y los componentes necesarios para construirlos no estaban sujetos a controles de exportación. [109] [110] En el momento en que se descubrió el programa, se estimó que Irak estaba a dos o tres años de producir suficiente material para armas nucleares. El programa fue destruido en la Guerra del Golfo. [111] En consecuencia, el Grupo de Suministradores Nucleares agregó el equipo de separación electromagnética a sus directrices para las transferencias de equipo, material y tecnología de doble uso relacionados con la energía nuclear. [112] [113]

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Lectura adicional

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  • Guthrie, Andrew; Wakerling, RK, eds. (1949). Volumen 5: Las características de las descargas eléctricas en campos magnéticos . Serie Nacional de Energía Nuclear, Sección Técnica del Proyecto Manhattan; División I: Proyecto de Separación Electromagnética. Nueva York: McGraw-Hill. OCLC  552825.
  • Medios relacionados con Calutron en Wikimedia Commons
  • Enlace a un sitio sobre una operadora de Calutron (Gladys Owens) y una famosa fotografía de ella trabajando.
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