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El Proyecto Manhattan y la reacción en cadena / CIENCIORAMA 1 Fisión del uranio. Imagen tomada y modificada de: http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/16111/20.7.jpg El Proyecto Manhattan y la reacción en cadena Carlos Velázquez Notables exiliados Los años previos al estallido de la Segunda Guerra Mundial marcaron el fin del gran impulso cuántico en Europa. Varios científicos oscilaron entre el alejamiento de la política y una débil expresión de sus opiniones respecto al nazismo, pero muchos de ellos emigraron una vez que sintieron los rigores de este sistema discriminatorio y racista. El caso de Schrödinger, el padre de la interpretación ondulatoria de la mecánica cuántica, es muy ilustrativo, ya que en algún momento antes del conflicto llegó a hacer declaraciones que contenían la aceptación de un resignado apoyo al nazismo. Pero cuando en 1938 Alemania tomó Austria, Schrödinger tomó su mochila e hizo un viaje a pie hasta Roma, burlando las patrullas fronterizas. Cuando por fin llegó lo ayudó Enrico Fermi a proseguir su fuga. Fermi mismo decidió que había llegado el tiempo de emigrar y en diciembre de 1938, con el pretexto de recibir el premio Nobel
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El Proyecto Manhattan y la reacción en cadena / CIENCIORAMA 1
Fisión del uranio. Imagen tomada y modificada de:
http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/16111/20.7.jpg
El Proyecto Manhattan y la reacción en cadena
Carlos Velázquez
Notables exiliados
Los años previos al estallido de la Segunda Guerra Mundial marcaron el
fin del gran impulso cuántico en Europa. Varios científicos oscilaron entre
el alejamiento de la política y una débil expresión de sus opiniones
respecto al nazismo, pero muchos de ellos emigraron una vez que
sintieron los rigores de este sistema discriminatorio y racista. El caso de
Schrödinger, el padre de la interpretación ondulatoria de la mecánica
cuántica, es muy ilustrativo, ya que en algún momento antes del conflicto
llegó a hacer declaraciones que contenían la aceptación de un resignado
apoyo al nazismo. Pero cuando en 1938 Alemania tomó Austria,
Schrödinger tomó su mochila e hizo un viaje a pie hasta Roma, burlando
las patrullas fronterizas. Cuando por fin llegó lo ayudó Enrico Fermi a
proseguir su fuga. Fermi mismo decidió que había llegado el tiempo de
emigrar y en diciembre de 1938, con el pretexto de recibir el premio Nobel
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en Suecia, salió de Italia y luego de la ceremonia partió con rumbo a los
Estados Unidos.
El núcleo atómico y el inicio de la carrera por la bomba
Lo que narro a continuación es una historia que tuvo consecuencias de
largo alcance, pero que también significó uno de los capítulos más
notables de la historia de la física, en él hubo una combinación a partes
iguales de física, química, ingeniería, negocios, política y secreto militar que
dio lugar a uno de los desarrollos más polémicos hasta ahora: la bomba
atómica.
Desde hacía tiempo se sabía que en principio era posible desatar
una gran cantidad de energía fisionando, o sea rompiendo núcleos de
elementos pesados y transformándolos en núcleos más pequeños. Esto se
debe a que la masa del núcleo padre es mayor que la suma de las masas
de los núcleos producidos o hijos; la masa faltante se convierte
íntegramente en energía de acuerdo con la famosa fórmula de Einstein
𝐸 = 𝑚𝑐2.
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Figura 1. Niels Bohr, Enrico Fermi, Edward Teller, Hans Bethe, John von Neumann y Erwin
Schrödinger fueron algunos de los notables exiliados europeos. Varios de ellos terminaron
trabajando en el proyecto que originó la primera arma nuclear. Imágenes tomadas de:
http://www.nbi.ku.dk/instituttet/billeder_af_niels_bohr/1.jpg
https://amigasdelmisterio.files.wordpress.com/2011/01/fermi.jpg
http://es.wikipedia.org/wiki/Edward_Teller
http://es.wikipedia.org/wiki/Hans_Bethe
http://es.wikipedia.org/wiki/John_von_Neumann
http://es.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dinger
Sin embargo, la realización concreta de este proyecto encerraba muchas
complejidades, por ejemplo, encontrar un elemento apropiado para la
fisión, optimizar la geometría para garantizar la reacción en cadena,
reducir la velocidad de los neutrones producidos por los elementos
fisionados, ya que los neutrones lentos son mejores para interactuar con
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los núcleos, entre otras dificultades. De hecho eran tantos los retos por
vencer que entre 1939 y 1940 la mayor parte de la comunidad científica
en EU no creía que fuera posible la creación de la bomba, y esta opinión
era compartida por la mayor parte de los dirigentes del país. Por un
tiempo, los científicos llegados de Europa, que tenían los conocimientos
necesarios para desarrollar estos proyectos, permanecieron aislados y se
mantuvieron en un bajo perfil, pero al ver cómo se desarrollaba la guerra
y tomaba tintes cada vez más dramáticos, empezaron a redoblar esfuerzos
para tratar de hacer factible la construcción de la bomba. Mientras tanto,
el gobierno sólo les seguía dando tibios financiamientos cada vez que
señalaban a los políticos y a la opinión pública la necesidad de construir
esta arma.
La perspicacia viene de Hungría
Si hay una persona entre todos los científicos llegados de Europa a
Estados Unidos a la que se debe poner atención para comprender el
nacimiento del proyecto nuclear es a un joven judío nacido en Hungría en
1898, Leó Szilárd. Mostró interés en la física desde los 13 años, aunque
por varias razones no pudo dedicarse por completo a su estudio sino
hasta que entró a la Universidad de Berlín en 1921, donde estudió bajo la
dirección de Max von Laue. A partir de ese tiempo Szilard comenzó a
introducirse cada vez más en el mundo de la física y fue afortunado ya
que además de poseer una gran capacidad científica y una gran inventiva,
tenía habilidades sociales que le posibilitaron trabajar con las mentes
más brillantes y notables de la época, por ejemplo Albert Einstein, y él
mismo solicitó varias patentes por invenciones originales.
Sin embargo, el año clave para Szilárd fue 1933, cuando el partido
nazi llegó al poder en Alemania; él comprendió al instante lo que esto
significaría y decidió que era el momento de abandonar el país. De hecho
tuvo que evadir la vigilancia policial para finalmente arribar a Inglaterra,
donde permanecería hasta 1938. Sin embargo en 1933 aún le deparaba
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otra sorpresa: ya estando en Inglaterra comenzó a frecuentar el círculo de
los físicos y así supo sobre las investigaciones que se estaban haciendo.
En esa época Rutherford era aún la cabeza visible de la investigación
nuclear en Inglaterra.
Figura 2. Szilard fue el primero que concibió la posibilidad de producir una reacción en
cadena utilizando para ello núcleos pesados que se romperían –-fisionarían-- al ser
golpeados por neutrones.
Imágenes tomadas de: http://www.atomicarchive.com/Images/bio/B56.jpg
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/476/488316/Instructor_Resources/Chapter_17/
FG17_10.JPG
Un día, en los últimos meses de 1933, mientras Szilard esperaba que la
señal de tránsito le diera el paso a los peatones, se detuvo a meditar
sobre una frase escrita por Rutherford en un artículo para The Times,
donde afirmaba que aunque al bombardear elementos con radiación alfa
se solía obtener una mayor cantidad de energía, sería imposible esperar
que este método pudiera ser utilizado como una fuente de generación de
energía a gran escala. Szilard intuía que en el fondo no había ninguna
objeción para poder obtener energía de esta manera, pero comprendía que
Rutherford no hablaba a la ligera y daba argumentos certeros. De pronto,
Szilard se preguntó por qué no sería posible que existiera una reacción
nuclear en la que al proporcionar un solo neutrón se obtuvieran como uno
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de los subproductos un par de neutrones. Si esto era posible, entonces se
podían utilizar estos dos nuevos neutrones libres para propiciar
nuevamente la reacción original, pero ahora dos veces, de modo que en
este nuevo paso se obtuvieran 4 neutrones libres para propiciar la
reacción nuclear inicial 4 veces, y luego 8, y luego 16… Esta replicación
cada vez mayor de la reacción original es lo que se conoce como
reacción en cadena. Como en cada paso vamos obteniendo más y más
energía, cuando sumamos la contribución de todos los pasos tenemos que
el total de energía liberada es increíblemente grande. Szilard había dado
con la idea principal detrás del funcionamiento de la bomba atómica.
Con su espíritu práctico, Szilard solicitó de inmediato una patente al
gobierno inglés para tener la primicia sobre el uso de este proceso aún
hipotético y a partir de ese momento se dedicó de manera apasionada a
buscar la forma de volver este sueño realidad. Finalmente en 1938 aceptó
una invitación para continuar sus investigaciones en la Universidad de
Columbia, en Manhattan, Estados Unidos.
La pila de Chicago
Aunque Fermi siempre trató de que su trabajo científico y su postura
política no se mezclaran, sus contribuciones al desarrollo de la física
nuclear tendrían profundas consecuencias políticas (para saber más sobre
Fermi, te recomiendo leer "La Regla de Oro: química y cuántica" aquí en
Cienciorama). Esto fue especialmente cierto después de que se incorporó a
los equipos de científicos europeos en los Estados Unidos, que habían
decidido unir sus esfuerzos para llegar a la tan esperada reacción nuclear
en cadena. Fue en este espacio donde surgieron muchas de las ideas que
después serían fundamentales para la creación de la bomba, por ejemplo,
cambiar el material frenador de los neutrones –moderador– de hidrógeno a
grafito. Las investigaciones con grafito fueron uno de los tantos trabajos
que terminaron marcando una forma completamente sui generis del trabajo
de Fermi, ya que al tener que manipular toneladas de este material, los
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físicos de más alto nivel del país se encontraban siempre tan sucios y
extenuados como cualquier minero. Fermi también sugirió que el uranio
debía agruparse en terrones para evitar el efecto de absorción indeseada
de neutrones. Sin embargo, estaba claro que sin una mayor intervención
del gobierno, en forma de financiamiento y facilidades para la
investigación, de poco podrían servir sus esfuerzos.
Figura 3. Imagen en la que vemos a Einstein y a Szilard detallando la carta que dirigirían
a Roosevelt.
Imagen tomada de: http://inventor.hu/aktualis/ezred.2.jpg
Se hicieron varios intentos para obtener recursos, pero uno de los gestos
políticos que quedaron grabados de esta historia fue la carta que Einstein
dirigió al presidente de los EU el 2 de agosto de 1939 advirtiendo de la
posibilidad de la creación de la bomba atómica y del peligro de que
Alemania pudiera crearla. Sin embargo, aunque el remitente fue solamente
Einstein, fue Szilard quien tuvo la iniciativa de proponer la carta y también
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participó en su redacción (es una ironía que el arma en manos de EU
haya sido uno de los hechos más peligrosos en el siglo XX).
Los financiamientos no fueron inmediatos pero fueron creciendo, y
finalmente, días antes de que Japón lanzara su ataque sobre Pearl Harbor,
el gobierno decidió tomar en sus manos el proyecto del desarrollo de la
bomba atómica, y entre otras cosas, se decidió trasladar la investigación
que se estaba haciendo en Universidad de Columbia a la Universidad de
Chicago.
Figura 4. La pila de fisión de Chicago. Éste fue el primer dispositivo capaz de extraer
energía de un proceso nuclear. Consistía principalmente de esferas de uranio contenidas
dentro de capas de grafito y algunas barras de cadmio y con su puesta en marcha el 2
de diciembre de 1942 se inauguró la época nuclear.
Imágenes tomadas de:
http://1.bp.blogspot.com/_QkpE5TOo5do/TOA1WO5KkhI/AAAAAAAADGw/K6bmT58YtN0/s40
0/pila_chicago_1.jpg
https://flagellum.files.wordpress.com/2013/06/uranium-atom-split-splitting-fission-fision-
nuclear-barium-krypton.jpg
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El carácter secreto de la investigación y el hecho de que Fermi y Szilard
pertenecieran a países enemigos de Estados Unidos hicieron que el cambio
de sede de la investigación les fuera muy inconveniente, ya que tenían que
moverse con las restricciones de extranjeros sospechosos. Éste fue sólo
uno de los nuevos matices que adquiriría esta empresa completamente
nueva.
En Chicago los trabajos continuaron con mayor intensidad y con el
objetivo claro de crear una pila de uranio (ver figura 4) capaz de llegar a
la masa crítica necesaria para sostener la reacción en cadena. La reacción
en cadena no significaba que la pila fuera a estallar, sino que una vez
puestas todas las piezas en su lugar, el número de neutrones producidos
crecería de manera exponencial y la temperatura comenzaría a aumentar.
La pila tenía el nombre de Chicago Pile Number One, o CP-1, y consistía
de 40,000 bloques de grafito que encerraban 19,000 piezas de uranio
metálico y de óxidos de uranio como combustible, además de algunas
barras de cadmio colocadas de manera apropiada para absorber neutrones
y apagar la pila en caso necesario.
Finalmente, el 2 de diciembre de 1942 se hizo la prueba que
inauguró la era de la energía atómica, y la primera reacción nuclear
autosostenida de la historia fue puesta en marcha. El primer objetivo para
la creación de la bomba atómica se había logrado.
El proyecto Manhattan y los Álamos
Desde el verano de 1942 se hizo evidente que aunque en Chicago se
tuviera éxito con la pila de uranio, el desarrollo de la bomba requeriría un
esfuerzo mucho más grande y que no sería posible albergarlo en ninguna
universidad si se quería que continuara en secreto. Ante la necesidad de
tener un control estricto, se experimentó con una forma de administración
hasta entonces jamás llevada a cabo: reunir en un nuevo lugar al mejor
equipo de físicos, químicos e ingenieros del país, pero bajo el mando y la
administración rigurosa del ejército de los EU. Esta extraña combinación
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dio lugar a muchas dificultades y malentendidos, ya que las fuerzas
armadas estaban --y siguen estando-- más habituadas al mando vertical y
al cumplimiento de órdenes precisas que al desarrollo del conocimiento y
a la creación de tecnologías. De hecho fue una experiencia por la que
pocos ejércitos del mundo han pasado, y podemos decir que el ejército de
EU, al paso de los años, se ha vuelto uno de los principales soportes del
desarrollo de la ciencia con aplicaciones bélicas a corto y mediano plazo,
Dentro de estos desarrollos podemos ver sistemas de comunicación, de
procesamiento y almacenamiento de datos, de interconexión y de
detección, entre otros.
Aquí surgen nombres de personajes que fueron clave para el
desarrollo del proyecto, entre ellos Robert Oppenheimer, quien se volvió
célebre por haber sido el director del proyecto que finalizó la construcción
de la primera bomba atómica, el proyecto Manhattan (puedes leer más
sobre Oppenheimer y el proyecto Manhattan en la extensa bibliografía que
se ha escrito sobre el tema) que tendría sus cuarteles en un rancho lejano
de Nuevo México llamado Los Álamos. A Oppenheimer lo nombró el
general Grooves, encargado de todo el proyecto.
El grupo de los Álamos fue completamente multidisciplinario, y
muchos hombres de ciencia notables estuvieron en él, entre ellos
podemos nombrar a E. U. Condon, I. I. Rabi, H. A. Bethe, R. F. Bacher, y
por supuesto a Fermi y Szilard. Algunos de los trabajos emprendidos en
Los Álamos, aparte del desarrollo de la bomba de fisión, fueron el estudio
teórico y práctico para el desarrollo de una bomba de hidrógeno, la
construcción de un reactor nuclear homogéneo, la separación de los
isótopos del uranio, y el desarrollo de una bomba basada en plutonio.
La historia del grupo en Los Álamos es amplia y extensa, y no es el
momento de describirla en detalle, pero no está de más sumergirse en la
extensa literatura del caso, que nos enseñará bastante y nos mostrará
muchas de las formas y caminos que ha seguido la investigación científica
en general, particularmente la física, a lo largo de la segunda mitad del
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siglo XX. El grupo de los Álamos se disolvió poco tiempo después de
terminada la Segunda Guerra Mundial.
Trinity, 15 de julio de 1945, 5:30 a.m.
Trinity fue el nombre de la primera prueba atómica el 15 de julio de
1945 a las 5:30 a.m. A continuación un pequeño extracto del testimonio
de uno de los participantes en el trabajo en Los Álamos que nos puede
transportar, aunque sea de manera fugaz, a ese momento: "Lo más
impresionante fue la luz abrumadoramente brillante. Yo ya había visto en
condiciones similares la explosión de una gran cantidad --cien toneladas- -
de explosivo normal, en la prueba de abril, pero me quedé atónito con
este espectáculo. Vimos cómo se iluminaba el cielo con una increíble
claridad, a pesar de los anteojos oscuros que llevábamos."
Lo que vino después es la historia. Hiroshima, Nagasaki, y más de
1,500 pruebas nucleares en todo el mundo. Ésta es una historia por
descubrir, dentro de las que está la bomba más potente jamás fabricada
por el ser humano, la Tsar-Bomba, detonada por la Unión Soviética en
Nueva Zembla, y también una prueba nuclear que nadie sabe quién hizo,
conocida como el Incidente Vela. La era nuclear ha tenido muchas fechas
importantes y siempre estará más allá de nuestra cabal capacidad de
comprensión. Las energías liberadas en los fenómenos nucleares son tales
que nada en nuestra experiencia diaria nos prepara para comprenderlo, y
aun los físicos o los expertos en explosivos saben que es algo para lo que
es imposible prepararse.
El Proyecto Manhattan y la reacción en cadena / CIENCIORAMA 12
Trinity fue el nombre de la primera prueba nuclear en la historia. Con su detonación se
abrió una de las épocas más delicadas de la historia de la humanidad, una época de la
que somos parte.
Imágenes tomadas de: http://abomb1.org/images/trinit2b.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Trinity_Site_Obelisk_National_Historic_
Landmark.jpg
Bueno, por ahora esto es todo, traté de presentarte los puntos esenciales
que llevaron al surgimiento de la era nuclear, de la cual, nos guste o no,
formamos parte. Por último, puedo decirte que Fermi pudo calcular la
potencia de la bomba detonada en Nuevo México utilizando tan sólo unos
pedazos de papel y viendo cuánto se alejaban a medida que llegaba la
onda sonora de choque producida por la explosión de la bomba. El
método fue ingenioso y le dio un resultado muy parecido al de las
mediciones que se hicieron después y que tardaron varias semanas en
hacerse. En esencia Fermi sabía que entre mayor fuera el poder de la
explosión, mayor sería la potencia de la onda de sonido, y por lo tanto
mayor sería la distancia que se alejarían los papelitos. La genialidad de
Fermi consistió en darse una idea da cuál era la relación matemática
precisa entre la distancia recorrida por lo papelitos y la potencia de la
explosión.
Aprovecho para expresar mi desacuerdo con la existencia del
armamento nuclear, y también para decir que ésta y otras historias hay
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que saberlas, y para poder encontrarlas hay que mantener los ojos bien
abiertos y hacer un montón de preguntas impertinentes. Hasta mi próxima
contribución.
Bibliografía
Laura Fermi, Átomos en la Familia. Mi vida con Enrico Fermi. Editorial Marfil,
España, 1956.
Emilio Segrè. Enrico Fermi., Conacyt, 1982.
Milorad Mladjenovic. The history of early nuclear physics (1896-
1931), Singapore, World Scientific, Singapur, 1992.
Alex Keller. The infancy of atomic physics: Hercules in his cradle., Clarendon
Press, Oxford, 1983.
Puedes hilar la historia contenida en este artículo con estos otros en
Cienciorama:
Carlos Velázquez. “Hacia la Regla de Oro: química y radiación“
Carlos Velázquez, “El Experimento de la Hoja de Oro”
