La pila de Chicago

Obsolescencia | 15 diciembre 2013


Recientemente se han publicado, bajo dominio público1, algunas imágenes realmente interesantes sobre la primera pila atómica de la historia (Chicago Pile-1). He aquí una selección de esas imágenes que, además, me sirven para añadir algunos datos y comentarios sobre tan histórico lugar.2

Todo sucedió en plena Segunda Guerra Mundial, en medio del esfuerzo estadounidense por conseguir la primera bomba atómica. No debe extrañar, por tanto, que el lugar elegido para crear el primer reactor de fisión nuclear controlada de la historia fuera todo un secreto. Es más, en el exterior parecía cualquier cosa menos un laboratorio de vanguardia, como puede verse en estas dos fotografías.

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Vista general de las gradas de la cara oeste del Alonzo Stagg Field, un estadio abandonado situado en la Universidad de Chicago.

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Exterior del Stagg Field durante la Segunda Guerra Mundial. El estadio llevaba el nombre de un célebre entrenador universitario de la época.

Lo que sucedió bajo esas gradas el 2 de diciembre de 1942 sólo era conocido por un grupo muy secreto de científicos, técnicos y militares. Una nueva era estaba a punto de comenzar en lo que, poco tiempo antes, había sido una simple pista de squash.

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Este es el lugar en el que cambió la historia para siempre. En esta pista de squash, bajo el graderío oeste del Stagg Field en la Universidad de Chicago, se inició la Era Atómica.

Atardecía aquel día cuando, ante un pequeño grupo de científicos, fue retirada una barra de control cubierta de cadmio por parte de George Weil. Aquel sencillo gesto fue el punto de inicio de la primera reacción de fisión nuclear controlada de la historia.

Si uno no sabía qué se cocía allí dentro, seguro que no hubiera entendido el buen humor que reinaba al ponerse en marcha con éxito la Pila-1. A fin de cuentas, aquello no era más que una habitación rectangular de 9 por 18 metros en la que alguien había apilado un montón de “ladrillos” y listones de madera y los había cubierto con una lona. Ese alguien era el genial Enrico Fermi que, junto con Leó Szilárd, Martin Whittaker y Walter Zinn, se habían encargado de diseñar y organizar el montaje. El conjunto era tan inofensivo aparentemente, diríase que incluso vulgar, que corría una broma entre los científicos, que comentaban:

Si los contribuyentes vieran en qué hemos gastado millón y medio de dólares pensarían que estamos locos, pero si supieran por qué los hemos gastado, entonces sí que no les cabría duda alguna de que lo estamos.

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Dibujo de la Pila-1 o CP-1, la culminación de una de las fases más importantes del inmenso Proyecto Manhattan.

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Dibujo de la Pila-1 realizado por Melvin A. Miller.

Apenas hacía tres años que se había descubierto que bombardeando átomos de uranio con neutrones, ocasionalmente se producía una ruptura o fisión nuclear. Más tarde se descubrió que, en ese proceso de fisión, se generaban nuevos neutrones que, a su vez, podían iniciar nuevas reacciones de ruptura nuclear en átomos de uranio cercanos. Nació así el concepto de reacción en cadena. ¿Sería posible crear una reacción en cadena autosostenida? Para lograr tal fin, había que reunir una masa crítica de material fisionable cuidadosamente calculada.

Todo había comenzado a finales de 1938 en Berlín. Otto Hahn y Fritz Strassman localizaron átomos de bario en las muestras resultantes de un experimento en el que habían bombardeado con neutrones procedentes de una fuente de radio-berilio átomos de uranio. Los átomos de bario habían aparecido allí como por arte de magia. ¿De dónde habían salido? Era como si los neutrones hubieran partido por la mitad los núcleos de uranio, para dar lugar a átomos con una masa aproximadamente igual a la mitad de la del propio uranio, esto es, átomos de bario. ¿Se podrían “cortar” los núcleos atómicos con neutrones como si de un cuchillo y una tostada se tratara? Eso parecía. Fue Lise Meitner (traté sobre ella en TecOb anteriormente), que trabajaba con Niels Bohr en Copenhague después de haber huído de los nazis en Alemania, quien dio con la respuesta a la gran pregunta y desarrolló un primoroso modelo matemático de la fisión nuclear.

Meitner y su sobrino, Otto Robert Frisch, mostraron lo que sucedía realmente en las desintegraciones observadas en Alemania. Los átomos de bario y otros resultantes de la fisión de átomos de uranio por bombardeo de neutrones no contenían tanta masa como el uranio original. En otras palabras: en el proceso de fisión se producía una pérdida de masa que era transformada en energía. Einstein entraba en escena, pues en 1905 había alumbrado la ecuación más famosa de la historia que relacionaba materia y energía: E=mc2. Una vez demostrado que Einstein tenía razón, se desató la “locura”. Con una guerra mundial en puertas, se vio desde el primer momento que, liberando las inmensas energías puestas en juego durante los procesos de fisión nuclear, se podría construir un arma terrible. Los nazis se pusieron manos a la obra.

Bohr habló de todo esto con Einstein en Princeton a principios de 1936. Con los datos de Meitner y Frisch sobre la mesa, la conversación entre Bohr y Einstein animó a Enrico Fermi, que se encontraba en la Universidad de Columbia, a dar forma física a lo que sólo eran números y gráficos. La idea de la reacción en cadena había cristalizado. Fue entonces cuanto llegaron nuevas noticias de Meitner y Frisch, además de otros informes de muchos otros laboratorios del mundo: la teoría era correcta, los experimentos así lo confirmaban.

Para descubrir los detalles acerca de los neutrones que se emiten en las reacciones de fisión, trabajaron juntos Walter Zinn y Leó Szilárd. Aquello era indispensable si algún día se quería sacar algún provecho útil del uránio. A la vez, Fermi y sus colaboradores estaban trabajando en ello. Curiosamente, los dos equipos publicaron sus resultados al mismo tiempo. Había llegado el año 1939 y el infierno estaba a punto de desatarse en Europa. Todo se aceleró. Fermi y Zinn estudiaron materiales que pudieran “moderar” la velocidad de los neutrones en la reacción y, así, poder tomar el control de la fisión. La tarea era muy compleja y se creía que dar con el moderador ideal y con los cálculos necesario para utilizarlo podría llevar muchos años. Por fortuna, en Alemania iban por mal camino y los nazis no daban con el moderador adecuado.

Fermi y Szilárd, sin embargo, se encontraban ya diseñando reactores de fisión controlada. Pensaron en disponer el uranio en el interior de una matriz de material moderador. Ese material era el grafito, que además de ser adecuado para la tarea encomendada, se podía obtener con alta pureza sin grandes costes. Los primitivos reactores subcríticos, de reticulado de uranio y grafito fueron probados por un amplio equipo humano bajo la supervisión de Fermi en Chicago. El objetivo final parecía todavía lejano. Zinn se ocupó de algo que, en apariencia, no era lo más importante. Diseñó unos moldes adecuados para dar forma a los bloques de óxido de uranio que iban a dar forma la pila atómica. En realidad, fue un movimiento genial. Tras haber construido una treintena de pilas subcríticas, había llegado el momento de dar el paso final.

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Pila exponencial de uranio y grafito. Se construyeron cerca de una treintena de pilas subcríticas antes de dar forma a la Pila-1.

Bajo la supervisión de Vannevar Bush, el presidente Roosevelt había puesto todo el proyecto en manos del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos. Nació así el Proyecto Manhattan. La construcción de la Pila-1 comenzó en noviembre de 1942. Se mecanizó el proceso de prensado del uranio y la fabricación de briquetas de grafito. Los equipos de trabajo trabajaron sin descanso pero, a la vez, con sumo cuidado. Lo que tenían entre manos no era ningún juego. Los cálculos para realizar la primera pila atómica fueron muy conservadores, no querían que la reacción se escapara de las manos y terminara sin control. Además, la pila se cubriría con un tela de globo en la que se pudiera hacer el vacío, para evitar que el aire capturara neutrones. La companía a la que se encargó la fabricación de aquella cubierta era la Goodyear. No se informó a la empresa sobre el objetivo del encargo, sólo se les pidió “una cubierta cúbica para globos” con unas medidas concretas. En la Goodyear se partían de risa, ¿globos cúbicos?

La pila, semiesférica, constaba de diversas capas de briquetas de grafito, en un bastidor de listones de madera. En su interior, como matriz, se colocó el uranio en forma de bloques. Fermi lo tenía todo calculado a la perfección, con la cantidad exacta de uranio y de grafito necesario para lograr la reacción autosostenida. A las 8 y media de la mañana del miércoles 2 de diciembre de 1942, todo el equipo se reunió alrededor de la Pila-1. Los aparatos de medición estaban listos, la última pieza de grafito había sido colocada la noche anterior, todo estaba listo. La pila contaba con tres grupos de barras de control de grafito. Un grupo se podía controlar a distancia, el otro era para una emergencia. Si todo se ponía feo, un contrapeso obligaría a introducir las barras de grafito de emergencia de forma rápida, teniendo que cortar antes con un hacha la cuerda que mantenía seguro al contrapeso. La última barra era la que frenaba la reacción hasta llegado el momento en que se deseara que diera ésta comienzo. Realmente no sabían qué podía suceder en el momento en que se retirara esa barra de control, por lo que, por si acaso, había un sistema de emergencia en el techo preparado para inundar todo con una solución de sales de cadmio.

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Fotografía tomada durante la construcción de la Pila-1.

El reloj marcaba las 9 horas y 45 minutos de la mañana cuando Fermi ordenó retirar las barras de control automáticas. Las agujas de los contadores empezaron a moverse nerviosas y el estilete que iba marcando la curva de actividad neutrónica en un cilindro de papel cobró vida. A las 10 se comenzó a retirar la barra de emergencia. Los contadores temblaban, tanto como los presentes, salvo Fermi, que parecía tener un conocimiento sobrehumano de lo que allí sucedía, pues era incluso capaz de adelantarse al comportamiento del marcador de actividad neutrónica. Como buen maestro de ceremonias, Fermi ordenaba mover la barra de control de emergencia en diverso grado, hasta que, una vez asegurada, saltó con un sonoro “tengo hambre, vamos a comer”.

Fue una comida extraña, uno de los experimentos más importantes de la historia se encontraba en pausa, todo parecía ir por buen camino, pero casi nadie decía nada. Tras la comida, el equipo regresó a la pista de juego convertida en laboratorio. Eran las dos de la tarde. Weil, controlando la extracción de la barra de control, a las órdenes de Fermi, iba dando vida a la reacción de fisión que estaba naciendo en el interior de la pila. Poco antes de las tres de la tarde algo salió mal. Los contadores habían llegado la límite de la escala y hubo que modificar la escala gráfica del contador de actividad de neutrones porque el estilete se salía por los bordes del papel.

Cerca de las tres y media, Fermi estaba ya seguro de lo que iba a pasar. Ordenó a Weil extraer un poco más la barra de control y afirmó: “… la reacción se automantendrá y la curva subirá sin parar. No se nivelará…” Con la regla de cálculo en la mano, Fermi fue realizando una serie de operaciones sobre la velocidad de aumento del recuento de neutrones. Los contadores se volvieron completamente locos cuando, con rostro satisfecho, anunció a los presentes dejando a un lado la regla de cálculo: “La reacción es automantenida, la curva es exponencial”. Durante casi media hora se mantuvo en marcha la primera reacción en cadena controlada de la historia. A las 15 horas y 53 minutos Fermi ordenó a Zinn insertar la barra de emergencia. Las agujas de los contadores cayeron, el experimento había concluido. Tras una breve celebración, el equipo de científicos abandonó la pista de juego. Al momento, Arthur Compton, director del laboratorio en la Universidad de Chicago, llamó a Harvard para transmitir la buena noticia. Al otro lado, James Bryant Conant, supervisor del proyecto, comenzó un diálogo extraño. No era algo pactado, pero parecía como si hablaran en clave. Compton comentó: “El navegante italiano desembarcó en el Nuevo Mundo”. Conant replicó, “¿Cómo se han portado los indígenas”. La respuesta no se hizo esperar: “Muy amistosamente”.

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1 Imágenes Energy.gov en Flickr (Public Domain) – Vía Gizmodo.
2 Fuente y más información en: La primera pila atómica. Corbin Allardice y Edward R. Trapnell, 1946.