El proyecto nuclear alemán

Cuestiones generales relativas a la Segunda Guerra Mundial

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El proyecto nuclear alemán

Mensaje por José Luis » Jue Dic 06, 2012 10:18 pm

¡Hola a todos!

En este hilo pretendo resumir los principales avances producidos en el proyecto nuclear alemán con la finalidad de presentar información suficiente de fuentes solventes y contrastadas para que los usuarios del foro que no estén familiarizados con el proyecto alemán puedan valorar las infundadas teorías que existen por ahí sobre lo cerca que estuvieron los nazis de conseguir, e incluso consiguieron, una bomba atómica. Para ello reseñaré, en síntesis, el descubrimiento de la fisión nuclear, sus implicaciones en Alemania, y la creación del proyecto nuclear alemán, que nunca pasó, en el terreno práctico, de los experimentos con reactores nucleares para intentar conseguir, finalmente en vano, una reacción en cadena de fisión nuclear autosostenida. Como la posibilidad de la construcción de una bomba atómica siempre estuvo supeditada a la construcción previa de un reactor nuclear eficaz, puede decirse que los científicos nucleares alemanes jamás tuvieron como objetivo inmediato la bomba atómica.

El descubrimiento de la fisión nuclear

La fisión del uranio fue descubierta por los químicos alemanes Otto Hahn y su ayudante Fritz Strassmann el 19 de diciembre de 1938 en el Instituto Kaiser Wilhelm de Química de Berlín (1). En realidad, Hahn y Strassmann habían descubierto bario como resultado de bombardear uranio con neutrones, pero la interpretación teórica de los resultados del experimento, esto es la fisión nuclear, fue conclusión de Lisa Meitner, a quien Otto Hahn había comunicado su descubrimiento, y su sobrino Otto Frisch en diciembre de 1938 (2).

Lisa Meitner (1878-1968) era una austriaca de familia judía que desde los catorce años de edad ansió estudiar física. Sin embargo, la negativa de sus padres y el hecho de que en el Imperio Austro-Húngaro en esa época no se permitía a las mujeres el estudio de física, o cualquier otra disciplina científica, llevó a Lisa a seguir el consejo de su padre, un abogado, para matricularse en un programa de tres años de duración que la facultaría para la enseñanza del francés. Pero en el último año del siglo XIX comenzó a cambiar la ley austriaca permitiendo la entrada de las mujeres en la universidad. Para aprovechar los años perdidos, el padre de Lisa contrató a un tutor que la instruyó durante dos años de duro trabajo que le posibilitó superar los cursos de secundaria, entrando a los 23 años de edad en la Universidad de Viena para prepararse para lo que sería una excepcional carrera en la física. Tras graduarse en 1905 comenzó a trabajar con su primer profesor de física, Franz Exner, para su tesis doctoral que leyó en diciembre de 1905, convirtiéndose al año siguiente en la segunda mujer en obtener un doctorado en la Universidad de Viena.

A finales de septiembre de 1907, Lisa conoció en Berlín a Otto Hahn (1879-1968), descubriendo que ambos tenían un gran interés en la investigación de la radioactividad. Hahn era un químico que carecía de los conocimientos físicos y matemáticos necesarios para una plena comprensión de la radioactividad, mientras que a Lisa le sucedía lo contrario. Hahn trabajaba en el departamento de química de la Universidad de Berlín y presentó a Lisa al director de su departamento, tras lo cual Lisa aceptó la oferta de trabajar allí, comenzando un largo periodo de estrecha colaboración con Hahn que se truncó finalmente cuando Lisa hubo de abandonar Alemania en 1938 a causa de la política racial antisemita del régimen nazi (3).

Lisa Meitner abandonó Alemania el 13 de julio de 1938 camino de Copenhagen y luego de Estocolmo, donde consiguió un trabajo de investigadora en el grupo sueco de investigación físico Manne Siegbahn (4). El 19 de septiembre recibió una carta de Otto Hahn que le daba cuenta del resultado de sus experimentos de bombardear el uranio con neutrones. En las navidades de ese año, Lisa se reunió con su sobrino Otto Frisch, un judío austriaco, físico de la Universidad de Hamburgo, que también había abandonado Alemania en octubre de 1933 por la primera legislación racial del régimen nazi. De Hamburgo partió a Londres, al Birkbeck College y un año después a Copenhagen, siguiendo una oferta del Premio Nobel danés Niels Bohr. Tía y sobrino se reunieron en Kungälv, cerca de Gothenburg, donde Meitner habló a Frisch de la carta de Hahn. Discutieron sobre la energía resultante de la desintegración del núcleo de uranio en dos, y pensaron que por fuerza debía conservarse. Recordando la teoría de la relatividad de Einstein, Meitner sabía que las masas nucleares de los fragmentos creados por la desintegración de un núcleo de uranio no incrementarían la masa del núcleo original. Estas masas diferían alrededor de un quinto de la masa de un simple protón y la masa tenía que haberse “perdido” en la reacción nuclear. Así que, Meitner concluyó, un neutrón hacía que el núcleo de uranio se desintegrara en dos, convirtiendo una diminuta cantidad de masa en energía.

El 3 de enero de 1939 Frisch regresó al instituto de Copenhagen y le contó a Bohr lo que habían descubierto. Siguiendo el consejo de un biólogo y pese a las reservas de Bohr, Frisch echó mano del término “fisión” para describir la fragmentación del núcleo de uranio en el documento que estaba preparando con Meitner. Bohr partió para la Universidad de Princeton (USA) el 7 de enero de 1939 en el MS Drottningholm con destino Nueva York, con la idea de tratar con Einsten asuntos sobre la teoría cuántica, aunque finalmente prevaleció el tema de la fisión nuclear que se había descubierto mediante la cuidadosa identificación de las sustancias químicas que habían resultado de la misma. Bohr arribó a Nueva York el 16 de enero de 1939.

Christian Moller, colega danés de Frisch, sugirió que la desintegración del núcleo de uranio podía continuar liberando más energía y creando más neutrones, resultando una cascada, una reacción en cadena que podía liberar energía nuclear a gran escala. Si se controlaba esa reacción en cadena se conseguiría un “reactor” nuclear. Una reacción en cadena no controlada sería una bomba de un poder destructivo sin precedentes.

A su llegada a Nueva York, Bohr fue recibido por un joven físico de la Universidad de Princeton llamado John Wheeler, que había trabajado con Bohr en Copenhagen en 1934-35, y por Enrico Fermi, quien en diciembre de 1938 había recibido el Nobel por su trabajo sobre el bombardeo de neutrones, y que había dejado la Italia fascista para proteger a su mujer Laura de las leyes antisemitas que acababa de aprobar el gobierno de Mussolini. Había aceptado un puesto en la Universidad de Columbia, llegando a Nueva York el 2 de enero de 1939. Bohr no comentó nada a Wheeler y Fermi sobre la fisión nuclear, pero Léon Rosenfeld (un protegido de Bohr que lo acompañaba en su viaje, junto con el hijo de Bohr, Erik), desconocedor de las reservas de su jefe, comentó el asunto a Wheeler, y la noticia se divulgó rápidamente entre la comunidad física americana, repleta entonces de emigrados europeos.

Otto Hahn había contactado con Paul Rosbaud el 22 de diciembre de 1938 para tratar sobre los resultados experimentales, y Rosbaud lo ayudó a publicarlos. Los trabajos de Hahn y Strassman sobre el bombardeo con neutrones del uranio fueron publicados en el Die Naturwissenschaften el 6 de enero de 1939, y aunque Meitner había tomado parte en los mismos, su nombre no apareció por políticamente inaceptable.

Los trabajos de Frisch y Meitner sobre la fisión nuclear del uranio fueron publicados en la británica Nature el 11 de febrero de 1939, y el trabajo de Frisch informando de los resultados de un experimento de verificación de la fisión fueron publicados en la misma revista una semana más tarde, el 18 de febrero. Y para asegurarse de que Frisch y Meitner fuesen adecuadamente acreditados con el descubrimiento, Bohr publicó un breve documento sobre el asunto en Nature el 25 de febrero.

Los físicos alemanes -incluso los del instituto de Hahn como Siegfried Flügge, o Carl Friedrich von Weizsäcker, que trabajaba en el Instituto Kaiser Wilhelm de Física- sólo se enteraron de los resultados de Hahn y Strassmann por el artículo arriba citado publicado en Naturwissenschaften el 6 de enero de 1939 (5).

(1) Horst Kant, “Werner Heisenberg and the German Uranium Project”. Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte, 2002. Se trata de un documento presentado en una conferencia en Moscú los días 13/14 de noviembre de 2001 en el Instituto para la Historia de la Ciencia y Tecnología con ocasión del 100º aniversario del nacimiento de Heisenberg.
(2) Jim Baggott, The First War of Physics. The Secret History of the Atom Bomb 1939-1949 (New York: Pegasus Book, 2010), p. 20.
(3) Véanse más datos sobre la carrera de Lisa en Amir D. Aczel, Uranium Wars. The Scientific Rivalry that Created the Nuclear Age (New York: Palgrave MacMillan, 2009), pp. 52 y ss.
(4) Baggott, p. 14 y ss. para la información que sigue.
(5) Horst Kant, p. 2.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por José Luis » Jue Dic 06, 2012 10:30 pm

Uranverein (Club del Uranio)

La posibilidad de conseguir energía atómica significaba la posibilidad de conseguir también una bomba atómica, cuestión que abrió el camino de la carrera nuclear. En Alemania, en una conferencia de 29 de abril de 1939, Abraham Esau, jefe de la sección física del Consejo de Investigación del Reich (Ministerio de Cultura) recomendó la creación de un proyecto de investigación del uranio bajo su propio liderazgo. Reunió a un número de prominentes físicos nucleares alemanes y se refirió a ellos como el Uranverein (Club del Uranio), encargándoles la tarea de investigar el potencial para la energía atómica, y urgiéndoles a que se aseguraran de todos los stocks de uranio en Alemania y prohibieran su exportación (6).

También el Ejército Alemán había sido advertido de las implicaciones de la fisión nuclear, primero por el químico Paul Harteck y más tarde por el físico industrial Nikolaus Riehl, un antiguo estudiante de Hahn y Meitner y a la sazón jefe de un departamento de investigación científica de la Compañía Auer (que, entre otras cosas, comerciaba con uranio y metales pesados) (7).

El 24 de abril de 1939 Harteck y su ayudante Wilhelm Groth escribieron una carta al jefe de la oficina de investigación del Heereswaffenamt (HW), Erich Schumann, llamando su atención sobre los recientes descubrimientos en la física nuclear y la posibilidad de desarrollar un arma de poder destructivo increíble, con las consecuencias que ello supondría para el país que primero la poseyera: “Nos tomamos la libertad de llamar su atención sobre los últimos avances en física nuclear, los cuales, en nuestra opinión, probablemente harán posible producir un explosivo...más poderoso que los explosivos convencionales. El país que primero haga uso de él tiene una ventaja insuperable sobre el resto”. Pero inicialmente el ejército no pareció interesado, aunque Schumann mostró la carta a uno de sus principales físicos, Kurt Diebner, quien consultó el asunto con un físico nuclear llamado Erich Bagge, que había trabajado en la Universidad de Leipzig con Heisenberg, Premio Nobel en 1932 por sus trabajos en teoría cuántica (8).

En junio de 1939, Siegfried Flügge publicó un artículo en Die Naturwissenschaften titulado "Kann der Energieinhalt der Atomkerne technisch nutzbar gemacht werden?", escribiendo al mismo tiempo una versión popular para el periódico alemán Deutsche Allgemeine Zeitung (9).

El interés del ejército pareció surgir súbitamente al comienzo de la guerra el 1 de septiembre de 1939, pero en realidad el HW ya se había dedicado a recoger información sobre la fisión nuclear tras la carta de Harteck y se había decidido a investigar con más profundidad el problema del uranio en agosto, tras el artículo de Flügge. En septiembre de 1939 se fundó el llamado “segundo club del uranio” bajo el liderazgo del HW. Diebner, que era el experto en física atómica del HW, organizó una primera reunión de este segundo club del uranio en Berlín el 16 de septiembre de 1939 con el objeto de consolidar los dos proyectos de investigación del uranio que había en Alemania y discutir algunos de los problemas científicos que debían afrontar. Diez días más tarde se celebró una segunda reunión más importante en las oficinas de investigación del HW en Berlín. A esta reunión asistió Heisenberg, que se encontró ya reunidos a algunos de sus colegas, entre ellos Harteck, Otto Hahn, Hans Geiger (el del Contador Geiger), Carl Friedrich von Weizsäcker y Walther Bothe (el principal físico experimental nuclear de Alemania). Debatieron sobre la posibilidad de ayudar a construir una bomba de fisión. En 1945 Bagge recordó que Bothe y Geiger terminaron la discusión con Bothe diciendo: “Caballeros, debe hacerse”, con Geiger apostillando: “Si existe la más ligera oportunidad de que sea posible debe hacerse”. Así que, tres años y medio antes de la apertura de Los Alamos en Estados Unidos, se lanzó en Alemania el proyecto para explorar las potencialidades de la fisión y para construir, de ser posible, una bomba atómica alemana (10).

A Bagge se le encargó la tarea de determinar si el agua pesada era adecuada como moderador; a Harteck se le pidió que continuara el trabajo preliminar sobre la separación de isótopos utilizando métodos de difusión termales y que examinara las diferentes configuraciones de reactor en la producción de neutrones secundarios; Heisenberg debía valorar la viabilidad de una reacción en cadena autosostenida de uranio basada en las propiedades físicas conocidas de los materiales que probablemente se requerían. Schumann anunció que el HW había requisado el Instituto Kaiser Wilhelm de Física de Berlín como base del proyecto del uranio y de los científicos involucrados en el mismo (11).

Hubo un total de entre 70 y 100 científicos involucrados, en algún que otro momento, en el proyecto alemán del uranio, concentrados en diferentes grupos en varias universidades y los institutos Kaiser Wilhelm. Sin embargo, la mayoría de los principales estuvieron más preocupados por librar a los jóvenes científicos del servicio militar en el frente que de definir claramente los contenidos de sus trabajos en el proyecto. Hosrt Kant dice que esta organización descentralizada podía haber sido buena para el trabajo científico, pero no era suficientemente eficiente para resolver un problema técnico. Al parecer, entre los científicos del club del uranio sólo Harteck reconoció los requerimientos industriales de semejante proyecto.

Hubo otro pequeño grupo trabajando en el problema del uranio, y en ocasiones con cierta ambición para la obtención de una bomba, dirigido por Manfred von Ardenne en su laboratorio privado, en contacto con el instituto de investigación del Reichspostministerium y su ministro Wilhelm Ohnesorge. Sin embargo y debido a varias razones, principalmente la reserva y hostilidad de la mayoría de los científicos contra Ardenne, este grupo no mantuvo relación con el club del uranio (a pesar de que hubo varios contactos), y aunque no debiera subestimarse su papel, sus resultados fueron mínimos y, en conjunto, de poca importancia para el proyecto del uranio y para los ambiciosos planes del ministro (12).

(6) Uranverein fue el nombre que se le dio en las comunicaciones privadas. Oficialmente fue conocido como Arbeitsgemeinschaft für Kernphysik. Horst Kant, p. 3.
(7) Ibid., 3.
(8) Jeremy Bernstein, Hitler's Uranium Club:The Secret Recordings at Farm Hall (New York: Springer-Verlag, 2001), p. 1.
(9) Horst Kant, p. 3.
(10) Ibid., 3-4; Bernstein, p. 3.
(11) Baggott, 38; Horst Kan, 4-5.
(12) Horst Kant, 6.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por José Luis » Jue Dic 06, 2012 10:41 pm

Experimentos, problemas y disolución final del proyecto (1)

El primer resultado importante del club del uranio fue el primer informe secreto de Heisenberg de fecha 6 de diciembre de 1939 y titulado “La Posibilidad de Producción de Energía Técnica de la Fisión del Uranio”, que elaboraba la teoría de producción de energía mediante la fisión nuclear, y que trazó el curso futuro del programa nuclear alemán. De salida, Heisenberg centró su atención sobre la física de un reactor nuclear, o “quemador de uranio”. Estimó que un reactor capaz de conseguir una reacción en cadena autosostenida necesitaría en torno a una tonelada de uranio y alrededor de una tonelada de agua pesada combinadas en una configuración esférica. Un reactor así produciría una operación estable a una temperatura de alrededor de 800º Celsius. Heisenberg concluía su informe observando que enriqueciendo la proporción de U-235 ayudaría a reducir aún más (junto con la configuración de Harteck) el tamaño del reactor, y que el enriquecimiento era el único método de producir explosivos mucho más poderosos que los explosivos conocidos. En esta fase del proyecto, Heisenberg no expresó preferencia por el agua pesada o el grafito como moderador (13).

El HW adjudicó un contrato a la Compañía Auer para la producción y entrega de óxido de uranio refinado. El director Riehl estableció inmediatamente centros de producción en Oranienburg, a unos 32 km al norte de Berlín y entregó la primera tonelada de óxido de uranio a principios de 1940.

Fue más problemático conseguir la necesaria agua pesada. El único centro de producción de agua pesada en cantidades comerciales era una planta de fertilizantes propiedad de la compañía noruega Norks Hydro, que la producía como subproducto. La planta estaba en los fiordos de Vemork, cerca de la ciudad de Rjukan en la remota región noruega de Telemark, a unos 240 km al oeste de Oslo.

Como moderador era mucho más preferible el grafito porque lo había disponible en grandes cantidades, pero los datos iniciales del equipo del químico Walther Bothe en Heidelberg, apoyado por las predicciones teóricas de Weizsäcker y su grupo en Berlín, sugerían que el grafito podría abosorber neutrones con demasiada facilidad y de esta forma demostrarse inadecuado.

En su segundo informe al HW en febrero de 1940, Heisenberg ya se estaba inclinando hacia el uso de agua pesada como moderador, pese a los problemas para su obtención, agravados por la falta de cooperación de Norks Hydro, que se negó a satisfacer las demandas presentadas por un representante de la industria química alemana I. G. Farben. En cambio, Norks Hydro mostró una recepción completamente distinta ante Jacques Allier, representante del Banque de Paris et des Pays Bas, y también oficial de inteligencia del Deuxième Bureau francés. Sucedía que Frederic Joliot-Curie en París había identificado también el agua pesada como un potencial moderador y había avisado de su importancia en la investigación nuclear al Ministerio de Armamentos francés. Cuando llegó a Oslo con una carta de crédito de 36 millones de francos franceses, Allier pretendía negociar la compra de toda el agua pesada disponible. Pero cuando Norks Hydro se enteró del fin al que iría destinada el agua pesada, su director general Axel Aubert prometió entregar gratis todo el stock de agua pesada al gobierno francés: “Diga que nuestra compañía no aceptará ni un céntimo por el producto que están tomando, si ello ayuda a la victoria de Francia”. Se trasladó el agua pesada de Vemork primero a Edinburgo y luego por tren y ferry a París.

Como resultado de la Operación Weserübung contra Dinamarca y Noruega en abril de 1940, los alemanes entraron en Rjukan el 3 de mayo para descubrir que había desaparecido toda el agua pesada camino de París. Sin embargo, consiguieron una promesa de la planta para incrementar la producción de agua pesada a 1,5 toneladas por año. Más tarde, con la derrota del ejército francés en la campaña de mayo-junio, los alemanes entraron en París y los físicos del club del uranio se trasladaron al laboratorio de Joliot-Curie a finales de junio. Con su cooperación, Diebner asimiló los resultados del trabajo de los físicos nucleares franceses y dispuso lo necesario para completar el ciclotrón que habían comenzado. Cuando exigieron saber de Joliot-Curie el paradero del uranio y agua pesada que los franceses habían recibido de Bélgica y Noruega, el físico francés declaró simplemente que el uranio había desaparecido hacia el “sur” junto con el gobierno francés (en realidad había ido a Argelia) y el agua pesada embarcada en una barco que se había hundido (en realidad había ido a parar a Inglaterra, junto con los colegas de Joliot-Curie, Halban y Kowarski).

En su segundo informe al HW, Heisenberg se había mostrado reticente con el asunto de una bomba. No están claras sus razones. Quizás la separación del U-235 en la escala requerida para una bomba parecía todavía una empresa de increíbles proporciones. La clave era saber qué cantidad de U-235 se requería para construir una bomba, pero los informes históricos de ese periodo (hasta la primavera de 1940) no arrojan evidencia alguna de que se intentara determinar ese cálculo. Sea como fuere, no se persiguió la posibilidad de una bomba basada en U-235 “casi puro”.

De los experimentos del grupo de Hahn en Berlín se descubrió un elemento al que llamaron eka re, que tenía 93 protones y que Weizsäcker sospechó podría ser fisionable como el U-235. Weizsäcker comprendió que era posible separar este elemento 93 del uranio por medios químicos, lo que en esencia significaba que si el elemento 93 podía ser producido en un reactor de uranio en cantidades suficientes, podría aislarse con relativa facilidad y utilizarse para hacer una bomba de fisión.

Que el elemento 93 podía producirse realmente bombardeando el U-238 con neutrones fue demostrado por los físicos americanos Edwin MacMillan y Philip Abelson en el Laboratorio Radiactivo de Berkeley, pero también observaron que este elemento era relativamente inestable, descomponiéndose en cuestión de días. Asombrosamente, publicaron abiertamente sus resultados en la literatura científica en junio de 1940 y Weizsäcker escribió un documento para el HW en que recomendaba con entusiasmo se siguiera esta posibilidad.

No estaba claro para el club del uranio que la construcción de una bomba dependiera primeramente de resolver los problemas relacionados con la construcción de un reactor. Permanecía la cuestión del moderador más adecuado. En junio de 1940 el grupo de Heidelberg reportó un documento confidencial con algunas medidas iniciales del grado de absorción de neutrones por el grafito, pero los resultados no eran concluyentes. Parecía que el grado de absorción era demasiado alto para que se pudiera utilizar con éxito el grafito como moderador, pero también se reconocía que una parte del problema estaba en la homgeneidad y pureza del grafito usado.

(13) Bernstein, 40 y ss. para lo que sigue.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por José Luis » Jue Dic 06, 2012 10:58 pm

Experimentos, problemas y disolución final del proyecto (2)

Con el nuevo acceso a una gran cantidad de uranio refinado, los físicos del Uranverein estaban construyendo su primer ciclotrón en el laboratorio de Joliot-Curie en París. Contaban con la promesa de la entrega de cantidades importantes de agua pesada y se estaban empleando las mejores mentes químicas y físicas para hallar una solución al problema de la separación del U-235. En julio de 1940 se comenzó una nueva construcción para alojar un reactor nuclear experimental en el Instituto Kaiser Wilhelm de Biología e Investigación Vírica, y para limitar una atención no deseada se llamó al edificio la Casa del Virus.

La Casa del Virus estuvo lista en octubre de 1940, y en diciembre, Heisenberg, Weizsäcker, Wirtz y otros dos físicos del Uranverein llevaron a cabo un experimento denominado B-I que acabó en fracaso. Buscaban pruebas de la “multiplicación” de neutrones, esto es un incremento de la producción de neutrones en diferentes puntos del reactor que señalaría un progreso hacia una reacción en cadena autosostenida. Sin embargo, hallaron que más que incrementar, el número de protones disminuía. Repitieron el experimento, llamado B-II, unas semanas después, pero los resultados fueron similares a los del experimento anterior.

En Leipzig, Robert Döpel, bajo la dirección de Heisenberg, llevó a cabo otro experimento, llamado L-I, que también dio resultados negativos. Sirvió para confirmar que un reactor no podía construirse usando carbón e hidrógeno como moderador, al menos en la forma de parafina usada en el experimento L-I.

En cambio, los experimentos del equipo de Bothe en Heidelberg confirmaron que el agua pesada funcionaría eficazmente como moderador. En cuanto al grafito, Bothe había tendido a desechar los primeros resultados de su equipo sobre la absorción de neutrones por el grafito como resultado de impurezas y, a través del HW, buscó y consiguió una cantidad de grafito puro de la firma Siemens. En enero de 1941, descubrió asombrado, con Peter Jensen, que la pureza había empeorado, no mejorado, los resultados. Bothe dudó de que las impurezas fueran las culpables, y los físicos concluyeron que a menos que el uranio pudiera ser grandemente enriquecido con U-235, el grafito solamente no podía usarse como moderador en un reactor nuclear.

Los resultados, sin duda, habían sido afectados por las impurezas, y el físico de Göttingen, Wilhelm Hanle, sospechó de los resultados de Bothe y Jensen, y aunque no formaba parte del Uranverein, Hanle realizó sus propias medidas para demostrar que las impurezas eran realmente las culpables y que el grafito funcionaría como un moderador eficaz. Informó de sus resultados al HW.

Entretanto ya se había optado por el agua pesada como moderador. El coste de producir grafito de suficiente pureza pareció prohibitivo comparado con el coste de suministro esperado de agua pesada de la planta de Vemork. Pero a finales de 1940 los físicos alemanes sólo habían obtenido ocho litros de Vemork. Se debatió la construcción de una planta de agua pesada en Alemania, pero se descartó por cuestiones económicas. Wirtz fue enviado a Vemork para inspeccionar la planta y discutir la forma de incrementar la producción.

Las malas noticias no cesaron, pues Harteck y Jensen aceptaron finalmente que la técnica de difusión termal Clusius-Dickel no funcionaba para el hexafluoruro de uranio. Estaba claro ahora que no era una técnica que pudiera usarse para aislar U-235 o enriquecer el uranio en la escala que iban a necesitar para un reactor o una bomba.

Los científicos del Uranverein se reunieron de nuevo en marzo de 1941. Posteriormente, Harteck informó al HW que se encontraban ante dos problemas urgentes. Necesitaban producir agua pesada para usar como moderador y necesitaban idear una forma alternativa de aislar el U-235. De estos dos problemas el primero parecía el más manejable; una suficiente cantidad de agua pesada permitiría construir un reactor de uranio natural. Si no había disponibles suficientes cantidades de agua pesada, entonces se necesitaría uranio enriquecido para construir un reactor usando agua ordinaria como moderador. Harteck juzgaba que el enriquecimiento era relevante “sólo para aplicaciones especiales en las que el bajo coste no era sino una consideración secundaria”.

En otras palabras, la separación de U-235 era viable sólo si se iba a construir una bomba. No se abandonó el problema de la separación de isótopos y se discutieron un par de medidas radicales, como la posibilidad de un método de separación electromagnética (Bagge) y el uso de un termociclador (Wilhelm Groth). De todas formas, el acceso al agua pesada era absolutamente crucial para cualquier futuro progreso.

El HW colocó un pedido de 1.500 kilos de agua pesada, pero a finales de 1941 sólo se habían entregado 360 kilos. Heisenberg decidió usar la primera agua pesada en conjunción con óxido de uranio. Con Döpel llevó a cabo el experimento L-II usando la misma configuración de reactor que habían usado casi un año antes, esta vez en una esfera de aluminio de unos 75 cm de diámetro conteniendo poco más de 150 kilos de óxido de uranio y alrededor de 160 kilos de agua pesada. Los resultados fueron otra vez negativos, aunque tras corregir la absorción de neutrones por el aluminio sus cálculos sugirieron una ligerísima multiplicación de neutrones, lo que les hizo pensar que estaban en el camino correcto.

El 16 de diciembre de 1941, Bothe, Hahn, Harteck y Heisenberg acudieron al cuartel general del HW en Berlín para dar cuenta de sus progresos. La conferencia que tuvo lugar concluyó que era improbable que la fisión nuclear ofreciera alguna ventaja importante al esfuerzo de guerra alemán, al menos en el futuro cercano. Schumann recomendó que el ejército se retirara de la investigación nuclear y del Instituto Kaiser Wilhelm de Física, pasando la responsabilidad de la supervisión del programa a otra organización.

Más tarde el Uranverein redactó un informe que entregó al HW en febrero de 1942 y resumía el pensamiento actual de los físicos. El informe declaraba claramente el potencial de un explosivo “un millón de veces más grande que el mismo peso de dinamita” basado en el U-235 o el elemento 94, el último producido en un reactor nuclear. Concluía que se podía construir una bomba usando de “10 a 100 kilos de material fusionable” y recomendaba que se iniciara un mayor esfuerzo industrial.

Era la misma conclusión a la que habían llegado británicos y americanos, sólo que mientras las conclusiones de estos últimos galvanizaron los esfuerzos británicos y americanos, las conclusiones del Uranverein parece que se perdieron en la reestructuración de las prioridades económicas para una guerra de desgaste en el frente ruso.

El 26-27 de febrero se convocó una nueva conferencia por el HW, a resultas de la cual, el Consejo de Investigación del Reich, que recogería la batuta del HW en el programa nuclear, acogió con optimismo las conferencias de los físicos. El interés se concentró en la construcción de un reactor nuclear, y aunque no se descartó la posibilidad de construir bombas atómicas, se consideró una posibilidad a largo plazo que sería investigada cuando estuviese disponible un reactor que funcionase. El 24 de abril de 1942 se nombró formalmente a Heisenberg director del Instituto Kaiser Wilhelm de Física, lo que lo convirtió en el científico con más autoridad en el programa nuclear del Consejo de Investigación del Reich. Se elaboraron planes para construir un cuarto reactor de prueba en Leipzig, llamado L-IV, y se centró la atención nuevamente en el suministro de agua pesada de la planta de Vemork. El incremento de la producción a 140 kilos mensuales a finales de 1941 era todavía insuficiente para satisfacer las demandas del programa. Se redactó un nuevo contrato para la producción y entrega de cinco toneladas de agua pesada, pero la producción cayó en los primeros meses de 1942.

Los preparativos para el L-IV se completaron a finales de mayo de 1942. El reactor experimental consistía de metal de uranio en polvo conteniendo unos 140 kilos de agua pesada y pesando alrededor de una tonelada. Su configuración fue esférica, con un diámetro de unos 80 cm, con dos capas concéntricas de uranio separadas por agua pesada. Esta vez se consiguieron pruebas de la multiplicación de neutrones, que Heisenberg y Döpel estimaron en un 13 por ciento. Calcularon que una pila conteniendo diez toneladas de metal de uranio y cinco toneladas de agua pesada produciría una reacción en cadena autosostenida.

El 9 de junio de 1942, Speer, que había sustituido a Todtz tras su muerte en un accidente de aviación en febrero del mismo año, logró que Hitler nombrase a Göring responsable del Consejo de Investigación del Reich para dar mayor relieve a su importancia. Cinco días antes, Speer convocó una reunión con los físicos en Casa Harnack, a la que también asistieron el coronel general Friedrich Fromm, comandante en jefe del Ejército de Reemplazo, su subordinado el general Emil Leeb, jefe de Armamento y Material del Ejército, el almirante Karl Witzell, jefe de armamentos de la marina, y el mariscal Milch, secretario de estado del ministerio del aire. Entre los físicos que asistieron a la reunión estaban Heisenberg, von Ardenne, Diebner, Hahn, Harteck, Jensen, Strassmann, Weizsäcker y Wirtz. En total se reunieron unas 50 personas en Casa Harnack.

En su discurso, Heisenberg habló de la bomba atómica en primer lugar, expresando que en vista de los resultados que habían conseguido hasta el momento “no parece imposible que, una vez el [reactor de] uranio haya sido construido, seremos capaces un día de seguir el paso revelado por von Weizsäcker hacia explosivos que son más de un millón de veces más eficaces que los disponibles actualmente”. Cuando le preguntaron cómo tendría que ser de grande una carga explosiva para destruir una gran ciudad, Heisenberg respondió que sería “alrededor del tamaño de una piña”. Subrayó que teóricamente no había nada que se opusiera a la construcción de una bomba atómica alemana, pero las condiciones técnicas necesitarían al menos dos años de desarrollo. Estimó que aun si los americanos fueran por delante en su programa nuclear, no habría ninguna amenaza de una bomba atómica americana antes de 1945, como muy pronto.

Cuando Speer presionó a los físicos del Uranverein para que estimaran el presupuesto necesario para continuar con el programa, los físicos alemanes, al igual que le había pasado a sus homólogos americanos más de dos años antes, no supieron dar una respuesta. Weizsäcker sugirió 40.000 Reichsmarks, una cantidad totalmente ridícula para lo que había entre manos (Los americanos gastaron más de 2.000 millones de dólares en su proyecto nuclear). Tras la reunión, Speer pidió a Heisenberg que le informara de las medidas necesarias que había que tomar y los fondos y materiales necesarios para avanzar en el programa nuclear. Tras estudiar el asunto, Heisenberg pidió 350.000 Reichsmarks (unos 80.000$) y un incremento de sólo 75.000 RM en el presupuesto existente para el programa nuclear. Speer creyó conveniente aumentar esa cantidad hasta uno o dos millones de RM, aunque tuvo la impresión de que una bomba atómica ya no tendría ninguna importancia en el curso de la guerra. Convencidos de que una bomba atómica estaba fuera de su alcance dentro del tiempo previsto que duraría la guerra, los físicos alemanes habían pedido unos fondos modestos para continuar su trabajo en un reactor nuclear.

Speer informó a Hitler el 23 de junio de 1942 que el programa nuclear podría producir algunas cosas útiles a largo plazo, pero no había ninguna super-arma decisiva en perspectiva. Ese mismo día explotó la pila experimental L-IV debido a una fuga, y Heisenberg y Döpel se salvaron de milagro. Pero habían perdido el uranio en polvo y el agua pesada.

Heisenberg continuó con sus experimentos con un reactor nuclear para conseguir una reacción en cadena de fisión nuclear para la producción de energía atómica. Su penúltimo experimento en Berlín, llamado B-VII, dio en comparación con los anteriores la mejor producción de neutrones. El último experimento se llevó a cabo en Hechingen en febrero de 1945, fue llamado B-VIII y estuvo cerca de conseguir una reacción en cadena autosostenida. Pero unas semanas después se puso un abrupto y definitivo fin al programa nuclear alemán. Los ejércitos aliados invadieron Alemania y a mediados de abril la misión americana ALSOS capturó a los principales científicos nucleares alemanes, que poco tiempo después fueron enviados a Farm Hall en Inglaterra.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por Grossman » Vie Dic 07, 2012 12:42 am

¡Hola!

Muchas gracias, José Luis, por este trabajo sobre esta interesante cuestión. Aunque el proyecto nuclear alemán adolecía de serias carencias financieras e industriales, es de suponer que echaría en falta también los cerebros que se fugaron; ¿es posible hacer una estimación de hasta qué punto este hecho, así como el rechazo de la "física judía", ralentizaron su progreso? Otra pregunta que quería también formular, José Luis, es si pueden tomarse en serio las alegaciones posteriores de alguno de los físicos que participaron en el proyecto, de que lo boicotearon deliberadamente.

Un saludo a todos
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por José Luis » Vie Dic 07, 2012 10:40 am

¡Hola a todos!
Grossman escribió:¡Hola!
Aunque el proyecto nuclear alemán adolecía de serias carencias financieras e industriales, es de suponer que echaría en falta también los cerebros que se fugaron; ¿es posible hacer una estimación de hasta qué punto este hecho, así como el rechazo de la "física judía", ralentizaron su progreso? Otra pregunta que quería también formular, José Luis, es si pueden tomarse en serio las alegaciones posteriores de alguno de los físicos que participaron en el proyecto, de que lo boicotearon deliberadamente.
¡Qué tal, amigo Grossman!

En mi opinión, la salida de científicos alemanes (austriacos o de cualquier otra nacionalidad bajo la esfera de influencia nazi) al extranjero, principalmente Inglaterra y Estados Unidos, fue una pérdida muy importante para el programa nuclear alemán, pero no fue un factor decisivo en su fracaso.

El factor decisivo, a mi juicio, fue el propio concepto estratégico con que Hitler condujo la guerra, especialmente a partir del verano de 1940 con su decisión de atacar a la URSS para derrotarla en una campaña relámpago. Bajo este marco estratégico, cualquier proyecto tecnológico que sólo rindiera resultados prácticos a medio o largo plazo carecía de interés para Hitler, o dicho de otra forma, no estaba entre las prioridades estratégicas del Führer. Cuando esta estrategia blitzkrieg se derrumbó estrepitosamente en el otoño de 1941 y la realidad impuso una perspectiva de guerra larga, Hitler tampoco contempló con el interés necesario los proyectos tecnológicos a medio o largo plazo, sino que ordenó que se dedicara el grueso del esfuerzo de guerra alemán a los proyectos con resultados prácticos previstos a un plazo relativamente corto, como en el caso de tanques y aviones.

En el terreno de la investigación de la fisión nuclear, tengo para mí que Hitler y sus grandes jefes políticos y militares estaban muy lejos de comprender las complejidades técnicas y el enorme esfuerzo financiero, industrial y humano involucrados en un proyecto que perseguía, en sus fines prácticos inmediatos, la construcción de bombas atómicas. Y es muy probable que tampoco comprendieran plenamente las implicaciones que supondría la obtención de energía atómica. Sin duda, esta situación se produjo de forma similar en Roosevelt-Truman y Churchill, sólo que a diferencia de Hitler parece que los anteriores estuvieron mejor asesorados y apostaron sin reservas por el proyecto nuclear. Ciertamente, en esa época se necesitaba una buena formación científica incluso para intuir el enorme desafío que suponía superar los problemas teóricos y prácticos que presentaba la construcción de armamento atómico y los titánicos esfuerzos de todo orden que involucraba un proyecto semejante. Esta última cuestión sólo se pudo comprender, en el bando americano, a medida que se avanzaba en el terreno teórico-práctico experimental del proyecto nuclear y se comprendían los fantásticos requerimientos industriales y tecnológicos resultantes, todo lo cual entrañaba una financiación de alcance astronómico. A tenor de los hechos conocidos, creo que prácticamente nadie de entre los científicos del Uranverein llegó al punto de comprender el esfuerzo presupuestario que habría necesitado el programa nuclear alemán para llegar a buen fin y a tiempo.

Esta circunstancia da pie a tu segunda pregunta. ¿Acaso los líderes científicos del Uranverein no se esforzaron todo lo que debían en su programa nuclear? ¿Boicotearon el proyecto?

En base a lo que conozco, diría que sí hicieron todo cuanto estuvo en sus manos para avanzar en su programa nuclear, pero no consiguieron resolver del todo en la práctica los problemas que presentaba la construcción de un reactor nuclear eficaz. En mi opinión, la razón principal de su fracaso fue que tanto en el campo gubernamental como en el científico nunca se emprendió el programa nuclear como un proyecto a gran escala de importancia estratégica decisiva. En otras palabras, el programa nuclear fue poco más que un gran proyecto académico, nunca un gran proyecto estratégico nacional dispuesto a afrontar y superar los enormes retos tecnológicos, industriales y financieros que forzosamente involucraba.

¿Boicoteo científico? Las evidencias históricas no lo demuestran, pese al empeño, hasta cierto punto comprensible, que pusieron muchos científicos alemanes después de la guerra para afirmarlo o desentenderse de su papel en el programa nuclear nazi. El caso de Heisenberg, que llegó a ser el científico alemán con más autoridad en el programa, es ilustrativo.

Si Heisenberg no quisiera realmente verse involucrado en un posible proyecto científico futuro para la causa nazi, podría haber aceptado cualquiera de las múltiples ofertas que recibió cuando estuvo de viaje en Estados Unidos, semanas antes de la invasión alemana de Polonia, para trabajar en cualquiera de las muchas pretigiosas universidades americanas. Así lo aconsejaron distintos colegas europeos que se habían exiliado en Estados Unidos por razones profesionales, políticas y morales, entre ellos Robert Oppenheimer, Hans Bethe, Enrico Fermi, Victor Weisskopf o Eugene Wigner. Heisenberg podría haber aceptado una de esas ofertas llevándose a toda su familia a USA, pero siempre declinó, afirmando que su familia estaba en Alemania, que él era un alemán y que su país lo necesitaba. Así embarcó con destino a Alemania a mediados de agosto de 1939.

Quizás el ejemplo más interesante de la actitud real de Heisenberg hacia el programa nuclear del Uranverein se encuentre alrededor de los motivos que le llevaron a visitar en septiembre de 1941 al reputado científico danés Niels Bohr, y en el contenido de lo que hablaron y discutieron durante la misma.

A raíz del experimento L-II del verano de 1941 cuando por vez primera Heisenberg y Döpel pensaron que habían logrado una pequeñísima multiplicación de neutrones en el reactor y sintieron que se encontraban en el buen camino hacia la bomba atómica, Weizsäcker pidió encarecidamente a Heisenberg que consultara con Bohr para ver si estaban en la dirección correcta en su programa nuclear.

Cuando la Wehrmacht ocupó Dinamarca en abril de 1940, Bohr decidió permanecer en el Instituto de Física Teórica de Copenhagen. Al ser de ascendencia judía, fue considerado “no ario” por los nazis, si bien en principio esta circunstancia no tuvo graves repercusiones para él. No existen dudas de que tanto Heisenberg como Weizsäcker se preocuparon por el bienestar de Bohr, pero es bastante improbable que éste fuese el motivo principal para la visita de Heisenberg. Heisenberg recordó en sus memorias, escritas treinta años después de este episodio, que Weizsäcker le había dicho que sería una buena idea que discutiera todo el asunto del proyecto nuclear con Bohr en Copenhagen, y que sería de gran valor para Weizsäcker saber si, por ejemplo, Bohr opinaba que estaban equivocados y debían dejar de trabajar en el uranio.

Según Heisenberg, el propósito principal de su visita era buscar el consejo de Bohr sobre la moralidad de trabajar en problemas científicos que podían tener “graves consecuencias en la técnica de la guerra”. Sin embargo, Baggott, a quien sigo en esta cuenta, cree que hubo otras razones para dicha visita. Es posible, dice Baggott, que, alarmado por los informes de los esfuerzos americanos para construir una bomba atómica que habían aparecido en la prensa suiza, Heisenberg y Weizsäcker quisieran descubrir también lo que Bohr sabía del asunto.

A iniciativa de Weizsäcker, se cursó una invitación para él y Heisenberg para participar en un simposio sobre astronomía, matemáticas y física teórica que se iba a celebrar en el recién creado Instituto Cultural Alemán de Copenhagen. Tras superar los obstáculos burocráticos puestos por el Ministerio de Educación del Reich, se aprobó finalmente la asistencia de ambos científicos a la conferencia a condición de que Heisenberg mantuviese un perfil bajo en el simposio y sólo permaneciese en Copenhagen unos pocos días. A pesar de esta condición, Heisenberg llegó a Copenhagen el lunes 15 de septiembre de 1941, cuatro días antes de que comenzara la conferencia.

Heisenberg habló con Bohr en una primera ocasión de asuntos no relevantes y visitó su instituto, reuniéndose en una par de ocasiones con varios científicos, como Christian Moller y Stefan Rozental. Más tarde recordaron con amargura su discusión con Heisenberg: “[Heisenberg] subrayó lo importante que era que Alemania ganara la guerra...la ocupación de Dinamarca, Noruega, Bélgica y Holanda era una mala cosa, pero con respecto a los países de Europa Oriental era un buen suceso porque esos países no eran capaces de gobernarse a sí mismos”.

En su segundo encuentro con Bohr, al anochecer del miércoles 17 de septiembre, Heisenberg planteó el asunto de las armas atómicas. Los recuerdos posteriores de ambos científicos sobre esta reunión fueron vagos y contradictorios. La conversación comenzó mal y fue a peor. Bohr escuchó los comentarios insensibles de Heisenberg y comenzó a enojarse cuando éste no sólo defendió la invasión nazi de la URSS, sino que afirmó que sería bueno que Alemania ganara la guerra. Cuando planteó finalmente la cuestión de trabajar en una bomba atómica, Bohr quedó completamente horrorizado. Hasta donde Bohr lo comprendía, ya había mostrado en 1939 que conseguir un explosivo de una reacción nuclear en cadena “requeriría todos los esfuerzos de un país”, y ahora su amigo y antiguo colega le estaba explicando con impaciencia que era posible construir una bomba atómica y que estaba trabajando en ello para los nazis.

Tras la guerra, Heisenberg explicó que estaba intentando, a través de Bohr, establecer un compromiso de los científicos nucleares para no desarrollar armas atómicas. Sin embargo, Bohr entendió otra cosa. En una carta dirigida a Heisenberg pero que nunca envió, Bohr escribió:

“Tenía que causarme una fuerte impresión que desde el mismo principio declararas que sentías como cierto que la guerra, si duraba lo suficiente, se decidiría con armas atómicas...Cuando yo quizás parecí dudarlo, añadiste que tenía que comprender que en los años recientes tú te habías ocupado casi exclusivamente con esta cuestión y no tenías dudas de que podía hacerse”.

Cualesquiera que hubieran sido las intenciones de la visita de Heisenberg, la realidad es que dejó en Bohr la impresión de que estaba haciendo todo lo posible para entregarle a Hitler una bomba atómica (Baggott, 86-91).

Recapitulando, los científicos alemanes, con alguna excepción como la de Houtermans, trataron de convencer al mundo, después de la guerra, tal como hizo por otro lado la mayor parte de los generales de la Wehrmacht con su implicación en los crímenes de guerra, que no habían tenido nada que ver con los nazis, y que su participación en el programa nuclear estuvo más concentrada en la obtención de energía atómica para aplicaciones energéticas que para la construcción de armas atómicas. La realidad muestra que no pudieron, aunque quisieron y lo intentaron, provocar una reacción nuclear en cadena controlada, y por ello una bomba atómica, que era su siguiente e inmediato objetivo, nunca estuvo a su alcance.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por Grossman » Vie Dic 07, 2012 11:02 am

Muchas gracias, José Luis, por esta colmada respuesta :)

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por Stephen Maturin » Vie Dic 07, 2012 3:57 pm

José Luis escribió:Experimentos, problemas y disolución final del proyecto (1)


Como resultado de la Operación Weserübung contra Dinamarca y Noruega en abril de 1940, los alemanes entraron en Rjukan el 3 de mayo para descubrir que había desaparecido toda el agua pesada camino de París. Sin embargo, consiguieron una promesa de la planta para incrementar la producción de agua pesada a 1,5 toneladas por año. Más tarde, con la derrota del ejército francés en la campaña de mayo-junio, los alemanes entraron en París y los físicos del club del uranio se trasladaron al laboratorio de Joliot-Curie a finales de junio. Con su cooperación, Diebner asimiló los resultados del trabajo de los físicos nucleares franceses y dispuso lo necesario para completar el ciclotrón que habían comenzado. Cuando exigieron saber de Joliot-Curie el paradero del uranio y agua pesada que los franceses habían recibido de Bélgica y Noruega, el físico francés declaró simplemente que el uranio había desaparecido hacia el “sur” junto con el gobierno francés (en realidad había ido a Argelia) y el agua pesada embarcada en una barco que se había hundido (en realidad había ido a parar a Inglaterra, junto con los colegas de Joliot-Curie, Halban y Kowarski).


.../...
- En primer lugar gracias por tocar este interesante tema y ayudar a acabar con los falsos mitos de la "bomba atómica alemana".

- Respecto al ciclotrón de Paris, creo que fue construido por Philips en 1937 y en 1939 ya estaba operativo, pero no puedo afirmarlo, lo que si creo es cierto que era el primero de europa, en este tema los americanos iban mas adelantados pues el americano Ernest O. Lawrence, premio nobel de física en 1939 fue el inventor del ciclotrón, en realidad la investigación nuclear me parece se iba haciendo poco a poco por diversos científicos de diferentes paises y en 1939-1940 no se quien iba por delante, pero los alemanes tras la derrota de Francia se aprovecharon de la investigación del matrimonio Joliot-Curie, premio nobel de quimica en 1935 y quizas dieron un paso hacia delante.

- Respecto a las reservas de agua pesada francesas y según indica de Gaulle en el primer tomo de sus memorias, fueron embarcadas en el contratorpedro Milan en Brest el cual partio rumbo a Plymouth el 15/06/1940, en el mismo buque viajaban un grupo de quimicos franceses presididos por el general Lemoine y en el mismo buque viajo Charles de Gaulle hacia su exilio, un pequeño y olvidado buque que en ese momento tuvo su lugar en la historia.

-

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por José Luis » Vie Dic 07, 2012 7:13 pm

¡Hola a todos!
Stephen Maturin escribió: Respecto al ciclotrón de Paris, creo que fue construido por Philips en 1937 y en 1939 ya estaba operativo, pero no puedo afirmarlo, lo que si creo es cierto que era el primero de europa, en este tema los americanos iban mas adelantados pues el americano Ernest O. Lawrence, premio nobel de física en 1939 fue el inventor del ciclotrón, en realidad la investigación nuclear me parece se iba haciendo poco a poco por diversos científicos de diferentes paises y en 1939-1940 no se quien iba por delante, pero los alemanes tras la derrota de Francia se aprovecharon de la investigación del matrimonio Joliot-Curie, premio nobel de quimica en 1935 y quizas dieron un paso hacia delante.
Gracias, Stephen. En realidad me comí una palabra (ensamblaje) en la frase de referencia, que debe decir: "...dispuso lo necesario para completar el ensamblaje del ciclotrón que habían comenzado".

No sé si los físicos franceses lo habían terminado. Desde luego, el primer ciclotrón construido en Europa fue el "pequeño ciclotrón" de la Universidad de Leningrado gracias a Abram I. Alikhanov e Igor V. Kurchatov, siguiendo el modelo del ciclotrón de Lawrence y M. Stanley Livingston, y era en 1934 el único "ciclotrón" funcionando fuera del laboratorio de Universidad de California de Lawrence. Pero apenas trabajó y se realizaron muy pocos experimentos. Sin embargo, dos años después, en 1936, ya estaba funcionando otro ciclotrón en el Instituto de Radiación de la Academia de las Ciencias de Leningrado, y aunque esta máquina operó con poca frecuencia y poca potencia, era superior al "ciclotroncito" anterior. También comenzó a operar un acelerador lineal del tipo Crockcroft-Walton en el laboratorio de Kurchatov. (Paul R. Josephson, "Early Years of Soviet Nuclear Physics". Bulletin of the Atomic Scientists, Vol. 43, No. 10 December 1987, p. 38).

Sea como fuere, lo que interesaba a los alemanes era poder construir un reactor nuclear para conseguir una reacción nuclear en cadena autosostenida, pero fueron los americanos, bajo Enrico Fermi y la Universidad de Chicago, los primeros del mundo en construirlo a finales de 1942. Lo llamaron Chicago Pile-1.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por Stephen Maturin » Sab Dic 08, 2012 11:26 am

-
- Ignoraba lo del ciclotrón soviético :oops:, esto me pasa por no mirar en google antes de responder, pero siempre se aprende algo, parece que mis años de convivencia con el reactor nuclear Argos de la ETSIIB me afecto el cerebro :lol: .

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por José Luis » Sab Dic 08, 2012 12:51 pm

¡Hola a todos!

Stephen, ya te puedo confirmar que el ciclotrón de Joliot no estaba terminado cuando su laboratorio fue ocupado por los alemanes. Estaba casi terminado. (David. C. Cassidy, Beyond Uncertainty. Heisenberg, Quantum Physics, and the Bomb. New York: Bellevue Literary Press, 2009, p. 402).

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por Stephen Maturin » Dom Dic 09, 2012 10:07 am

José Luis escribió:¡Hola a todos!

Stephen, ya te puedo confirmar que el ciclotrón de Joliot no estaba terminado cuando su laboratorio fue ocupado por los alemanes. Estaba casi terminado. (David. C. Cassidy, Beyond Uncertainty. Heisenberg, Quantum Physics, and the Bomb. New York: Bellevue Literary Press, 2009, p. 402).

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- OK gracias por la puntualización.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por fermat » Mié Dic 12, 2012 8:06 am

El tema de las armas nucleares es uno de los que más ha contribuido a la abundante literatura de las "armas prodigiosas" nazis. Sin embargo, según las evidencias disponibles, algunas de las cuales han sido presentadas aquí, la Alemania Nazi en ningún momento estuvo cerca de disponer, no ya de una bomba atómica operativa; sino ni siquiera de un prototipo de pruebas o un diseño detallado de tal arma.

Muchas veces se ha tratado de justificar este "fracaso" de la Alemania Nazi con el argumento de que los principales físicos e investigadores alemanes se exiliaron tras la llegada de Hitler al poder, y trabajaron para los Aliados. Es cierto que algunos de los físicos que tuvieron un papel relevante en el Proyecto Manhattan huyeron de la Alemania Nazi; por ejemplo Frisch, Teller o Szilard (aunque estos dos últimos eran húngaros). Sin embargo, no es menos cierto que en Alemania permanecieron muchos físicos de primer nivel capaces, en principio, de desarrollar un proyecto como el de la bomba atómica. Por citar solo unos pocos: Hahn, Heisenberg, Lennard, Stark... todos ellos ganadores del Premio Nobel.

Después de la guerra muchos científicos alemanes argumentaron que habían boicoteado deliberadamente el desarrollo de la bomba atómica, para impedir que Hitler se hiciese con un arma de tales características, y de ese modo posibilitar la victoria de los Aliados. No obstante, no está claro que los físicos alemanes estuviesen convencidos de la viabilidad del arma nuclear, y mucho menos que fuera posible desarrollarla antes de que finalizase la guerra. No fueron capaces de calcular la masa crítica de material fisible necesaria para producir la explosión, y en esas condiciones es muy difícil plantearse siquiera la posibilidad de un diseño viable. Es cierto que Heisenberg dijo en una ocasión que bastaba con una cantidad del tamaño de una piña; pero también es verdad que según consta en los registros de las conversaciones de Farm Hall; Otto Hahn le reprochó no haber sido capaz de calcular dicha masa, y de dar valores tan dispares como 50 Kg y 2 toneladas en diferentes ocasiones.

Yo más bien creo que si Alemania no fue capaz de hacerse con un arma nuclear fue por no disponer de los inmensos recursos necesarios para desarrollar tal proyecto en un corto plazo de tiempo. Estos recursos si que pudieron ser puestos en marcha por Estados Unidos, y de ahí su éxito en el proyecto.
Tengamos en cuenta que se trataba no solo de desarrollar un arma nueva, sino que en paralelo se debía desarrollar la tecnología nuclear asociada; tecnología que no existía cuando se empezó a pensar en construir un artefacto nuclear. Para poder llevar a cabo, en paralelo, ambas tareas hay que disponer de unos recursos de los que los alemanes carecían.

Lo primordial es disponer de unas cantidades adecuadas de material fisible. Los unicos materiales conocidos que se pueden emplear como explosivos nucleares son el uranio y el plutonio (el torio también es fisible pero que yo sepa nunca se ha empleado en armas nucleares). De los dos materiales válidos solo una variedad de cada uno es adecuada; en el caso del uranio el isótopo 235 y en el caso del plutonio el isótopo 239. Así, si queremos construir un arma nuclear no nos vale con tener uranio o plutonio en cantidad suficiente, debemos tener U235 o Pu239. Cualquier otra cosa no vale. El uranio se da en la naturaleza y se puede extraer de minas, como cualquier otro elemento. Ahora bien la concentración de uranio en el mineral es muy baja (en torno al 0.1%) con que hay que procesar una enorme cantidad de mineral para obtener un
poco de uranio. Por si fuera poco este uranio es en más de un 99% U238, y solo un 0.7% es U235; lo cual quiere decir que para obtener 1 Kg de U235 hay que procesar más de 100 toneladas de mineral de uranio.
El U238 no vale para bombas; sino que, lo que se necesita es U235 con más de un 90% de pureza. Es necesario por tanto, "enriquecer" el uranio separando el isótopo 235 del 238. Este proceso de separación es también muy complejo, ya que al tratarse del mismo elemento, uranio, no se pueden emplear métodos químicos (ambos isótopos se comportan químicamente de forma análoga). Los métodos físicos tampoco son fáciles de aplicar ya que la diferencia de masas entre ambos isótopos es muy pequeña, lo cual hace que el proceso de enriquecimiento sea largo y costoso.
Los alemanes no disponían de grandes yacimientos de uranio ni de instalaciones de enriquecimiento. Al parecer intentaron hacerse con el control de las minas de uranio de Katanga (en el entonces Congo Belga) tras la ocupación de Bélgica en 1940, pero sin éxito. De hecho uranio procedente de Katanga se usó en el Proyecto Manhattan (junto con uranio canadiense, y el procedente de los yacimientos norteamericanos de Colorado Plateau). Además, los norteamericanos fueron capaces de poner en marcha unas inmensas plantas de enriquecimiento de uranio en Oak Ridge, a salvo de incursiones aéreas y de cualquier cosa que no fuera producir uranio weapon-grade en tiempo record. Allí desarrollaron tanto la separación
electromagnética (los famosos calutrones), como la difusión gaseosa. Nada parecido había en Alemania, y de haberlo habido dadas las dimensiones de las instalaciones necesarias (Oak Ridge se extendía sobre cientos de kilómetros cuadrados) hubiera sido blanco fácil para los bombardeos.

Es posible sortear estos problemas eligiendo el otro camino para la bomba; el camino basado en el Pu239. Este es un camino, a priori, más sencillo y es el que después de 1945 han seguido todas aquellas potencias de mediano tamaño que han querido hacerse con armas nucleares (Israel, India, Corea del Norte,...). Muy probablemente ese fue también el camino que eligieron los físicos alemanes, y de ahí sus esfuerzos para construir un reactor nuclear. El reactor nuclear, que no es necesario para construir una bomba basada en el uranio, se convierte en el elemento clave para una bomba basada en el plutonio. La razón es que, a diferencia del uranio, el plutonio no se encuentra en la naturaleza. Es un elemento artificial
que se genera como producto de la desintegración del U238 en el reactor nuclear. El proceso es, a grandes rasgos, el siguiente. El reactor nuclear funciona con uranio natural (con lo que se evita el complejo y costoso enriquecimiento), provocando la fisión y consiguiente reacción en cadena de los nucleos de U235. Al mismo tiempo los nucleos de U238 capturan algunos de los neutrones producidos en la fisión y se descomponen según una cadena de desintegración que acaba en el Pu239. El Pu239 es a su vez fisible y puede participar en las reacciones nucleares que tienen lugar en el reactor para producir más energía (de hecho así sucede en los reactores civiles); sin embargo si lo que se quiere es hacer una bomba
hay que extraer el combustible del reactor antes de que el Pu239 se descomponga; esto supone un periodo de no más de dos o tres meses. Después el Pu239 y el uranio se pueden separar por métodos químicos, ya que se trata de elementos distintos, lo cual representa una gran ventaja respecto a los métodos físicos que se requieren para separar el U235. Así, el camino del plutonio presenta varias ventajas:
- No es necesario enriquecer el uranio, un proceso caro, complejo y costoso.
- Se aprovecha mucho mejor el uranio disponible; no solo el 0.7% de U235 sino también todo el U238 (más del 99%).
- La masa crítica necesaria para construir una bomba es menor en el caso del Pu239 que en el caso del U235 (5 Kg frente a 15 Kg aproximadamente).

El inconveniente de este proceso, alguno tenía que tener, es que es necesario construir un reactor nuclear y generar y mantener en él una reacción en cadena; y eso no es tan fácil como podría parecer. El asunto es que se debe controlar una reacción nuclear en un estado crítico impidiendo, por un lado que pase a un estado subcrítico (el reactor se apaga) o supercrítico (el reactor explota). Para conseguir ese equilibrio es fundamental disponer de un moderador adecuado. La función del moderador consiste en frenar los neutrones producidos en la fisión de los nucleos de U235.
El U235 se fisiona más fácilmente con neutrones lentos que rápidos; así al añadir moderador hacemos que el ritmo de la reacción aumente (se hace más crítica); si quitamos moderador el efecto es el opuesto. Pero además, mientras que los neutrones rápidos no interactúan con el U238, los neutrones lentos son capturados por éste y dan lugar a la serie de desintegración que desemboca en el Pu239. Así pues, para conseguir una bomba basada en el plutonio es clave disponer de un moderador adecuado en cantidades suficientes.
En los años 40 los moderadores conocidos eran el agua pesada y el grafito. Los alemanes apostaron por el agua pesada, y de ahí los esfuerzos aliados para impedir el acceso alemán al agua pesada procedente de Noruega; ya que sin agua pesada no había bomba de plutonio. En este punto la ciencia y tecnología alemanas estuvieron, también, por debajo de lo esperable; ya que ni intentaron fabricar por sí mismos el agua pesada ni se plantearon seriamente usar el grafito (cosa que si hicieron los americanos en el Proyecto Manhattan). Esto resulta tanto más sorprendente cuando si que pusieron en marcha unas inmensas y costosas instalaciones, para producir combustible sintético a partir de la hidrogenación del carbón. La fabricación del agua pesada no hubiera supuesto un esfuerzo mayor.

En resumen, sin posibilidad de acceder a material fisible en cantidad y calidad suficiente, los trabajos de la Alemania Nazi en el campo nuclear no podían pasar de la fase experimental.
Naturalmente que todos los problemas expuestos se hubieran podido resolver, de haberse asignado (y dispuesto) de los recursos necesarios. El hecho cierto es que tales recursos nunca se dedicaron al programa nuclear. La clave para esta decisión está, seguramente, en el hecho de que los científicos alemanes nunca estuvieron convencidos de la viabilidad de un arma atómica. Al menos, no durante la guerra; con lo cual pensaron que la guerra habría de ganarse con otras armas. Por ello dedicaron la mayor parte de sus esfuerzos en investigación y desarrollo, al programa de cohetes; y por ello al acabar la guerra Alemania estaba muy por delante de los demás paises en dicha tecnología.

Un detalle, pero muy significativo, que ilustra el poco esfuerzo llevado a cabo por los alemanes en el campo nuclear es que el que debía ser, a priori, el director de dicho esfuerzo mantuvo su cátedra en Berlín y se pasó la guerra viajando por Europa impartiendo conferencias y seminarios a "diestro y siniestro" (Dinamarca, Polonia, Suiza,...); mientras que su homólogo en el Proyecto Manhattan, Robert Oppenheimer solo tuvo una tarde y una noche libres en tres años.
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José Luis
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por José Luis » Mié Dic 12, 2012 10:40 am

¡Hola a todos!

Bohr y Wheeler habían teorizado en febrero de 1939 en la Universidad de Columbia que no todo el uranio era fisible, creyendo que sólo lo era uno de sus tres isótopos, el U-235. Ambos científicos comprobaron en la Universidad de Priceton en marzo de 1939 que el grado de fisión nuclear del uranio variaba dependiendo de la energía de los neutrones que lo bombardeaban. Cuanto más alta era la energía de los neutrones mayor fisión se obtenía, pero ésta se incrementaba todavía más con neutrones de energía baja. Bohr especuló que el mayor grado de fisión con neutrones lentos se debía al U-235. Comprobó que para producir la fisión de un núcleo de U-238 se necesitaban neutrones rápidos, mientras que para fisionar el U-235 se requerían neutrones lentos. Esto significaba que en una bomba consistente en una mezcla de U-235 y U-238 basada en una fisión de U-235 con neutrones lentos, el resultado sería una reacción en cadena lenta, que en una bomba atómica se extinguiría mucho antes de que pudiera explosionar. Esta circunstancia rebajó las expectativas sobre la posibilidad de construir una bomba atómica, aunque era posible, según declaró Bohr a sus colegas en abril, construir una bomba basada en U-235 puro.

Los neutrones emitidos para bombardear el uranio alcanzan una velocidad enorme (16.000 km/s) y son absorbidos rápidamente por el U-238, impidiendo que se produzca la fisión. Así que es necesario introducir un componente que reduzca la velocidad de los neutrones para que puedan librarse de ser absorbidos por el U-238 y consigan golpear el núcleo del U-235, dividiéndolo. Este componente se llama moderador, consiguiendo así el llamado neutrón lento o térmico. Se ha puesto como ejemplo para ilustrar esta cuestión el de una pelota de golf: si la pelota lleva mucha velocidad pasará por encima del hoyo del green sin caer dentro; si se desplaza lentamente, el hoyo la atrapará. En nuestro caso, si el neutrón se desplaza a gran velocidad es absorbido por el U-238 (no fisión); si se reduce la velocidad (hasta poco más de kilómetro y medio por segundo), entonces comienza a rebotar de un núcleo de U-238 a otro hasta que golpea el núcleo de un átomo de U-235 y lo divide (fusión).

Meitner, Fermi y otros experimentadores de neutrones de la época usaron fuentes radiactivas naturales como el radón (elemento 86) que, cuando se descompone, produce una partícula alfa con una buena cantidad de energía cinética. Si se hace que esta partícula alfa incida sobre el berilio entonces se producen neutrones de alta energía. Meitner también logró generar neutrones de baja energía usando radiación gamma emitida por radio para interactuar con el berilio. Observó que para las reacciones de neutrones que estaba estudiando, se incrementaban los niveles para las energías bajas. Esto sucedía unos cuatro años antes del descubrimiento de Hahn y Strassmann.

En 1936, Meitner y Hahn irradiaron uranio con neutrones rápidos y lentos, comprobando que se habían producido 10 especies radioactivas por las colisiones de los neutrones. Pero se dieron cuenta de que algunas de estas nuevas especies radioactivas no se correspondía con ningún elemento o isótopo conocidos. Creyeron que se trataba de elementos transuránicos (elementos químicos con número atómico mayor que 92) y, de hecho, afirmaron haber descubierto cuatro: los elementos números 93 a 96. (Los elementos 95 y 96 fueron descubiertos en 1944 y luego llamados americio y curio, respectivamente). Una de las ironías de estos experiementos de Meitner y Hahn de 1936, como escribe Bernstein*, es que observaron una actividad de 23 minutos que creyeron que podría proceder de un isótopo de uranio, pero que no siguieron investigando. De hecho, procedía del U-239, un isótopo que se descompone con demasiada rapidez para poder encontrarlo en la naturaleza. Así que perdieron el descubrimiento real del primer transuránico.

En 1938, Hahn y Strassmann estaban experimentando con neutrones lentos incidiendo sobre el uranio. Creyeron que lo que habían producido eran isótopos de radio. Pero el uranio es el elemento 92 y el radio el 88, lo que significaba que tenían que haberse producido dos partículas alfas en esta reacción, ya que había una diferencia de cuatro cargas positivas entre los núcleos de estos elementos, y cada particula alfa tenía dos cargas positivas en su núcleo. La idea de que un neutrón lento podía producir dos partículas alfa les pareció totalmente absurda, así que decidieron estudiar más de cerca el "radio" que supuestamente había sido producido. Para ello usaron variantes del método de cristalización fraccionada de Madame Curie. La idea básica era poner el supuesto radio en algún tipo de solución al que se añadió sal de bario. Esperaban que se formaran cristales conteniendo sal de bario y radio. Cuando drenaran la solución restante, lo que quedaría serían cristales con este radio mucho más concentrado de lo que había estado antes. Strasmann preparó un brebaje compuesto de cloruro de bario y el "radio" en una solución de ácido nítrico. Se formaron hermosos cristales, pero no hubo cambio alguno en la radioactividad. Esto los desconcertó totalmente. Probaron el método usando radio auténtico pero todo siguió igual. La única conclusión a la que llegó Hahn fue que su "radio" era bario. De alguna forma el núcleo de uranio se había dividido en partes, una de las cuales era bario (elemento 56) con un número másico de 137 en comparación al 238 del uranio. Sin poder explicarse el resultado, Hahn escribió a Meitner la carta de diciembre de 1938 a la que ya me he referido en mi primera intervención en este hilo. Meitner quedó tan desconcertada como Hahn, pero a diferencia de éste (un químico excelente con poca idea de física), Meitner logró encontrar la respuesta correcta.

El relato del sobrino de Lisa sobre su descubrimiento (fisión nuclear producida en el experimento de Hahn y Strassmann) dice que cuando paseaban tratando de encontrar la solución al misterio, se detuvieron y sentaron bajo un árbol, comenzando a hacer cálculos en unas hojas de papel. Observaron que la carga del núcleo de uranio era suficientemente grande para destruir el efecto de tensión superficial casi completamente; así que el núcleo de uranio podía ser realmente una gota (gota de agua de Bohr) muy inestable, dispuesta a dividirse a la más ligera provocación (como el impacto de un neutrón). Pero había otro problema. Cuando las dos gotas se separaban se distanciarían por su mutua repulsión eléctrica y adquirirían una energía muy alta, unos 200 MeV (millones de electrones-voltio). ¿De dónde podía venir esta energía? En este punto, Lisa, al recordar como computar las masas de los núcleos, llegó a la conclusión de que los dos núcleos formados por la división de un núcleo de uranio serían más ligeros que el núcleo del uranio original en torno a un quinto de la masa de un protón. Y como la masa que desaparece se convierte en energía según la famosa fórmula de Einstein (E=mc2), y un quinto de la masa de un protón era exactamente equivalente a 200 MeV, ahí estaba la fuente de esa energía.

Me he enrollado un poco, pero creo que es útil para comprender este muy complicado asunto (a mí me costó muchas lecturas, y aun así no es un tema que domine). También quiero decir que un reactor nuclear sí es necesario para producir una reacción en cadena controlada de fisión de U-235. Ahora no tengo tiempo para tratar de explicar esto, pero por la tarde veré de hacerlo, y añadiré algunas cosas más sobre el plutonio.

*Jeremy Bernstein, Plutonium. A History of the World's Most Dangerous Element (Washington D.C.: Joseph Henry Press, 2007).

Saludos cordiales
JL
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensaje por Stephen Maturin » Mié Dic 12, 2012 5:32 pm

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- Como bien indicas se ha de leer con calma y analizando lo que se lee, pero es muy interesante :sgm120: , espero tu próximo post .

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