Fusion de dos atomos.EL DESARROLLO DE LA PRIMERA REACCION
EN CADENA
Era sabido durante muchos anos,antes de obtener la primera
reaccion en cadena, que existen grandes cantidades de energia que
se acumulaban en los nucleos de muchas especies atomicas y que su
liberacion no esta en contra del principio de la conservacion de
la energia ni de cualquier otra ley de la fisica. A pesar de este
hecho reconocido, era opinion general entre los fisicos,en los
anos 30 ,que una liberacion en gran escala de energia de origen
nuclear no podria ser posible sin el descubrimiento de algun
nuevo fenomeno. Las razones para esta actitud algo negativa eran
debido a lo siguiente:dos tipos de procesos en el cual la energia
nuclear se podria liberar eran considerados en principio. Varias
reacciones nucleares suceden espontaneamente con produccion de
energia cuando dos nucleos atomicos se unen. El mas sencillo de
los muchos ejemplos posibles es quizas el del hidrogeno ordinario.Cuando
dos nucleos de hidrogeno se unen reaccionan espontaneamente formando
un nucleo de deuterio y emiten un electron. La energia liberada
en este proceso es de 1,4 Mev por proceso, equivalente a 1,6x10^10
calorias por gramo o aproximadamente dos millones de veces la
energia liberada por la combustion de una cantidad igual de
carbon. La razon por la que el hidrogeno no es un explosivo
nuclear, es que dos nucleos de hidrogeno nunca entran el contacto
bajo condiciones ordinarias, debido a la repulsion de las cargas
electricas positivas de los dos nucleos. No hay una razon
teorica que previene la union de los dos nucleos;en verdad esto
se podria lograr utilizando temperaturas y presiones muy altas.
Las temperaturas y las presiones altas, sin embargo, estan mas
alla de los limites que podrian ser logrados por medios
ordinarios,en un laboratorio , las grandes temperaturas que
permiten obtener las reacciones nucleares predominan en el
interior de las estrellas, como el Sol; estas reacciones se
reconocen generalmente como la fuente principal de energia
irradiada por las estrellas.
Fusion de dos atomos.
Una segunda posibilidad , para la liberacion de la energia
nuclear es el reaccion en cadena,en la mayoria de las
desintegraciones nucleares son emitidas particulas (particulas
alfa , protones o neutrones) que a su vez son capaces de producir
nuevas reacciones, entonces se puede concebir la posibilidad que
cuando una primera reaccion se produce, las particulas emitidas
pueden tener una actividad suficiente para determinar nuevas
reacciones semejantes. Cuando esto es el caso, en cada "
generacion " el numero de nucleos que reaccionan aumenta
hasta que el proceso "prende" una fraccion grande de la
materia original. Si la reaccion en cadena se desarrolla o no,
depende de si el numero de procesos nuevos producidos por las
particulas emitidas por un primer proceso es mas grande o mas
pequeno que uno. Este numero se llama " factor de
reproduccion."
Todos los procesos conocidos hasta el descubrimiento de la
fision del uranio en 1939, tenian un factor de reproduccion en
todos los casos mucho mas pequeno que uno. El proceso de la
fision del uranio cambio esto de manera radical, casi
inmediatamente despues del anuncio del descubrimiento de la
fision, se discutio la posibilidad de la generacion de enormes
cantidades de energia .Esta suposicion pronto fue confirmado por
observaciones experimentales en ambos lados del Atlantico. En
1939 se supo que una fision puede ser producida por el choque de
un solo neutron con un atomo de uranio y esto era capaz de
producir mas de un neutron nuevo o probablemente dos o tres. Los
fisicos pensaron que la reaccion en cadena que se produce con la
fision del uranio era algo de valor que debia ser investigado, al
mismo tiempo esta posibilidad se considero con esperanza y con
temor. Todos eran conscientes en I939 de la imminencia de una
guerra de aniquilacion. La fision del uranio tenia potencialmente,aplicaciones
militares y que el desarrollo sea practicado primero por los
alemanes. Nadie tenia en aquel momento conocimiento para predecir
el esfuerzo necesario para el desarrollo de tal arma.
Fision
de un atomo de uranio por un neutron.
La situacion politica del momento tuvo un efecto extrano en la
conducta de los cientificos, contrario a sus tradiciones,
establecen una censura voluntaria y trataron la cuestion como
confidencial ,luego su importancia fue reconocida por el gobierno
americano y el secreto llego a ser obligatorio. Con la
informacion disponible en I939, dos lineas de investigacion se
utilizaron en el desarrollo del reaccion en cadena. Uno involucra
como un primer paso la separacion del uranio
ordinario el isotopo raro 235 que emite neutrones lentos de la
fision del uranio,esta separacion elimina la absorcion parasita
de neutrones por el abundante isotopo uranio 238; existia el
sentimiento entre los fisicos que un alto porcentaje de uranio
235 facilitaria una reaccion uranio ,la verdadera dificultad era
por supuesto la obtencion por separacion de isotopo U 235 en gran
escala.
Reaccion en cadena,en 1 un neutron fisiona un
atomo de uranio,esto libera tres neutrones y en 3 se producen mas
fisiones.
La segunda linea de investigacion, propuesta por Fermi, hace
uso del uranio natural,el problema de disenar un sistema con este
material en una manera apropiada ,para realizar una reaccion en
cadena es por supuesto considerablemente mas complicado que el
problema de obtenerla con el uranio 235, los neutrones producidos
por una fision primaria deben ser usados en forma muy limitada ,para
mantener un sobrante positivo a pesar de la perdida debida a la
absorcion del uranio 238,esta linea de investigacion,a pesar de
ser mas complicada, es mas economica que la de usar el uranio 235
puro y se utilizo por la urgencia de la guerra,se debia comprobar
que era posible una reaccion en cadena,para encarar un proyecto
de enormes proporciones como el de construir la bomba atomica.
Enrico Fermi.
Gran cuidado debe ser tenido para que haya un equilibrio entre
la absorcion util(por parte del uranio 235) y la parasita(por
parte del uranio 238) de los neutrones ,la razon de las dos
absorciones depende de la energia de los neutrones y es mas
grande para neutrones de energias bajas, uno de los pasos
consiste en disminuir la velocidad de los neutrones,de energias
del orden de 1 Mev se debe pasar a energias bajas.Un modo de
realizar esto,es hacer que los neutrones choquen contra atomos y
reboten perdiendo algo de la energia inicial que es absobida por
los atomos,el efecto es grande para atomos livianos que
retroceden mas facilmente y es maximo para el hidrogeno,para
bajar la velocidad de los neutrones se debe esparcir el uranio en
una masa de algun elemento liviano.
Inicialmente se penso en el hidrogeno,en forma combinada
formando agua o parafina para retardar a los neutrones,pero
estudios posteriores,indicaron que el hidrogeno no era muy
indicado para esta operacion,debido al hecho que los nucleos de
hidrogeno tienen una tendencia apreciable para absober neutrones
con los cuales se combinan para formar deuterio,por ello cuando
se utiliza el hidrogeno una nueva forma de absorcion parasita se
agrega,disminuyendo la cantidad de neutrones en la masa,necesarios
para obtener una reaccion en cadena.Otros elementos se
consideraron,pero ninguno era tan efectivo como el hidrogeno,para
este proposito,en 1939 muy poco era conocido sobre las
propiedades de absorcion de los elementos livianos ,la eleccion
mas obvia que aparecieron en aquel tiempo fueron el deuterio en
forma de agua pesada, el helio, el berilio y el carbon en forma
de grafito.
Los grupo que trabajan en el problema en la Universidad de
Columbia en Norte America entre 1939 y 1940 incluian a George
Pegram, Leo Szilard, y Herbert Anderson,llegaron a la conclusion
que el grafito ofrecia las posibilidades mas optimistas para su
uso debido principalmente a la disponibilidad de dicha sustancia
y el tabajo experimental se baso en las propiedades del grafito
que se comenzo a usar en la Universidad de Columbia con unas
pocas toneladas de grafito suministradas al grupo. Dos
problemas se enfrentaron y fueron resueltos en aquel momento,uno
consistio en la determinacion de las propiedades de absorcion de
neutrones del grafito y el otro el estudio de su eficacia para
retardar a los mismos. La tecnica utilizada en esos experimentos
consistio en armar una columna cuadrada de grafito de unos pocos
centimetros de grueso, se instalo una fuente pequena de neutrones
,compuesta de unos pocos gramos de berilio mezclado con radon o
con radio, se coloco,a la misma en el eje de esta columna. Los
neutrones emitidos por la fuente se difunden por la columna y
seran gradualmente retardados hacia energias de agitacion termica;
los neutrones se mantienen en la columna siendo absorbidos o se
difunden fuera de la misma.
La distribucion espacial de los mismos y sus energias a traves
de la columna, se trazaron usando detectores sensibles a
neutrones de varias energias y los resultados se volcaron en una
teoria matematica del proceso de difusion.
Los resultados de estas investigaciones permitieron desarrollar
un metodo matematico para calcular con precision la vida de un
neutron desde el momento que es emitido como un neutron rapido
hasta cuando es absobido,al mismo tiempo se determino el exceso
de neutrones emitidos por el uranio natural cuando los neutrones
de baja velocidad son absobidos por el mismo.Una considerable
fraccion de neutrones lentos
En 1941 el grupo de investigacion habia logrado una cantidad
suficiente de datos que describian en forma razonable todo el
proceso,para minimizar los puntos negativos que podian perjudicar
a la reaccion,en principio fue posible medir las propiedades de
absorcion y dispersion de los neutronespara todas las energias y
con dichos resultados fue posible predecir el comportamiento de
un sistema que rinda una reaccion en cadena,llevar esto a la
practica,en aquel tiempo no parecia muy alentador al equipo de
investigadores,ya que exceso positivo para obtener una reaccion
en cadena en un sistema grafito-uranio era muy pequeno.Las
tecnicas de medicion de llas propiedades nucleares en 1941 rara
vez permitian una precision mejor del 10 por ciento y esto era
inadecuado para predecir el comportamiento del sistema grafito-uranio.
En cualquier sistema de dimensiones finitas(limitadas),los
neutrones escapan por difusion fuera de la superficie del mismo,estas
perdidas pueden ser eliminadas en principio,incrementando el
tamano del sistema,en 1941 estaba claro que para lograr buenos
resultados el mismo deberia tener grandes dimensiones y la
pregunta que surgia a los cientificos era,cual debia ser la
dimension minima para sustentar una reaccion en cadena,a esta
dimension se la conoce tamano critico de la pila.Por
ultimo se decidio recurrir al metodo de ir armando a la pila
hasta obtener una reaccion en cadena,el primer experimento
realizado en la Universidad de Columbia,se denomino exponencial
.
Se armo una estructura en enrejado,con envases llenos de oxido
de uranio dispersos en una gran masa de grafito,aqui denuevo se
introdujo una fuente de neutrones y la distribucion espacial y
energetica de los neutrones fue estudiada y comparada con la
teoria.Los resultados fueron negativos,aun con dimensiones
infinitas nunca se obtendria una reaccion en cadena,habiendo una
perdida de neutrones del 13 % por cada generacion.A pesar de
estos resultados,no se perdio la esperanza de obtener resultados
positivos,en 1942 todo el grupo comenzo a trabajar en la pila en
la unidad Metalurgica de la Universidad de Chicago bajo la
direccion de Arthur Compton,se realizaron de 20 a 30 experimentos
exponenciales,para mejorar el primer experimento,se mejoro la
estructura del enrejado y se utilizaron mejores materiales,se
leiminaron las impurezas tanto del grafito como del uranio,las
cuales producen perdidas de neutrones.Se organizaron laboratoris
para depurar el grafito y el uranio y se comenzo a producir
uranio metalico en la forma de polvo de muy facil combustion(quimica)
al contacto con el aire,luego este polvo fue sinterizado en
bloques,los cuales fueron utilizados en las pilas experimentadas
y veces estos ardian espontaneamente.A medida que se realizaban
todas estas mejoras los resultados eran mas alentadores y
finalmente en octubre de 1942 se armo una pila en forma de una
esfera enorme sustentada en madera,en el estadio de squach de la
universidad de Chicago,la misma estaba cubierta por una tela de
balon para extraer el aire,que podria tener resultados negativos
en el experimento,precaucion que resulto innecesaria.Durante la
construccion se siguio el control de la reaccion que se producia
dentro de la pila dia a dia,midiendo la intensidad de los
neutrones.
Algunos neutrones son producidos espontaneamente por el uranio
en un numero muy pequeno,cuando el sistema se acerca al tamano
critico,cada uno de estos neutrones,se multiplican varias
veces hasta que finalmente son absorbidos,pero cuando el factor
de reproduccion de la pila es del orden del 99% cada neutron se
multiplica en promedio 100 generaciones,por lo tanto,la densidad
de los neutrones se incrementa en toda la masa y tiende al tamano
critico,a partir de este punto se superviso el armado de la pila
sin que el mismo se salga de los limites permitidos de la energia
generada.
Largas barras de cadmio,fueron insertadas en la pila,este
material absorbe eficazmente a los neutrones y evita que una
reaccion en cadena se pueda producir inadvertidamente,cada manana
durante el armado se fue sacando lentamente una de las barras y
se midio la actividad de los neutrones.
El 2 de diciembre de 1942 se obtuvo una indicacion de que se
habia llegado a la dimension critica y la reaccion en cadena no
se obtenia por las barras de cadmio,las mismas fueron extridas
con sumo cuidado y la intensidad de los neutrones aumentaba
lentamente hasta que se observo que esta aumentaba demasiado,entonces
fueron nuevamente introducidas en la estructura y la intensidad
bajo a niveles insignificantes,la reaccion en cadena obtenida fue
facil de controlar,el calor generado en la misma no era posible
extraerlo por lo que se limito la potencia generada a 200 watts.
Dibujo de la pila construida en la universidad de Chicago,observe el lector al operador moviendo a la barra de control de cadmio,para evitar que el reactor,se salga de control.
Foto de la
pila de la universidad de Chicago,ver debajo de los bloques la
estructura de madera.
Diagrama en corte de la pila,se observan los
bloques de grafito y las barras de cadmio.
Eduardo Ghershman,5.03.2001.