Stephen, en realidad creo que ha de leerse con detenimiento todo lo que es importante en la vida, y en nuestro caso la historia. Pero en este caso, toda esta historia de la fisión nuclear, reconozco que se requieren muchos más esfuerzos, según lo que se pretenda saber y comprender. Más aún cuando quien lo pretende no ha ido por ciencias, como es mi caso.Stephen Maturin escribió: Como bien indicas se ha de leer con calma y analizando lo que se lee, pero es muy interesante...
Cuando yo empecé a leer sobre la historia de las bombas atómicas de la IIGM, casi no me preocupé de la parte técnica, pues me interesaba principalmente la parte histórica, quién, qué y cuándo (y cuánto). Pero cuando leí hace algunos años una reseña sobre un libro de un historiador alemán, Rainer Karlsch, Hitlers Bombe (2005), decidí que tenía que saber y comprender más sobre la fisión nuclear para saber por qué los científicos alemanes no tuvieron éxito en su programa nuclear, a diferencia de lo que parece afirmar ese historiador. Así que fui leyendo, poco a poco, los libros que me parecieron más importantes sobre el asunto: el de Rhodes (The Making of the Atomic Bomb), los de Bernstein (Hitler's Uranium Club y Plutonium), el de Baggott (The First War of Physics), y algunos artículos como el citado de Horst Kant. Tuve que echar mano, además, de un diccionario inglés-español de tecnología nuclear, y acudir una y otra vez a manuales básicos de física y química para ampliar conceptos, diseños, métodos, etc. Cuando creía que ya tenía unos conocimientos básicos para afrontar el problema de esta historia, entonces me comenzó a superar la propia historia de los descubrimientos y sus consecuencias, pues hay tal multitud de científicos involucrados, tantos experimentos y tantas consecuencias en esta historia de la fisión nuclear que uno por fuerza se pierde entre tantos nombres y fechas. Y además, todo relacionado de alguna u otra forma. Por ello dije que es un tema complicado que no llego a dominar pese a los esfuerzos que le dediqué y dedico. Pero tiene sus frutos, entre ellos el saber con certeza que los científicos alemanes jamás consiguieron inducir una reacción en cadena autosostenida de fisión nuclear, jamás consiguieron producir un ápice de plutonio y, por consiguiente, jamás pudieron explosionar, como afirma ese historiador alemán, un artefacto de fisión nuclear.
Al margen de calcular con precisión la masa crítica y de inducir la reacción en cadena citada, que como digo los científicos alemanes nunca consiguieron, hubo dos problemas que tampoco lograron solucionar satisfactoriamente: separar el U-235 del U-238 en el grado requerido para el material fisible necesario para una bomba atómica (otra cosa que ni siquiera trataron fue el diseño de una bomba así) y decidir qué tipo de moderador utilizar (cuando finalmente apostaron por el agua pesada, no la tenían o no la pudieron tener en cantidad suficiente por diversos factores, incluyendo los bombardeos aliados). Pero esta circunstancia, a diferencia de lo que oí en algún documental, no fue el factor decisivo que impidió el éxito nuclear alemán.
Como ya aclaró fermat, no era posible la separación por métodos químicos porque los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número atómico (protones) por lo que tienen idénticas propiedades químicas, pero diferente número másico (neutrones). Por tanto, había que buscar un método de separación física basada en la ligera diferencia de sus masas. En esa época se utilizaron cuatro métodos de separación del isótopo de uranio-235 del U-238: el método electromagnético, y los métodos de difusión térmica, gaseosa y centrífuga. Como expliqué en la introducción de este hilo, los científicos alemanes perdieron mucho tiempo con el método de difusión térmica (estuvieron empeñados hasta finales de 1940), lento y costoso, y entonces insuficiente para lo que se quería hacer. De igual forma les pasó con el método de difusión ultracentrífuga, aunque este método evolucionaría años después de la guerra. Asombrosamente, no se propusieron el método de difusión gaseosa (que, junto con el electromagnético y el centrífugo, fue el que usaron los “americanos”), mientras que el método electromagnético parece que les fue mejor, aunque finalmente sin el éxito deseado.
También fallaron en sus conclusiones sobre el grafito como moderador, por las erradas conclusiones de Bothe sobre las impurezas del grafito, que tal como afirmó Hanle (y tal como sabían los americanos) sí eran las culpables de los malos resultados. Pero se necesitaba grafito altamente purificado, que fue el que utilizaron los americanos como moderador, junto con agua normal y agua pesada (en Canadá).
En USA, el primer investigador que separó una minúscula cantidad (unos 0,02 microgramos) de U-235 de la mezcla de isótopos del uranio natural fue Alfred O. Nier, utilizando un espectómetro de masas. Envió la muestra a la Universidad de Columbia (Fermi). Junto con otra mínima muestra enviada por el laboratorio de General Electric se procedió (a cargo de John Dunning) a su bombardeo con neutrones lentos en el ciclotrón de la Universidad de Columbia en marzo de 1940, confirmándo lo que habían anticipado Bohr y Wheeler el año anterior, esto es que el U-235 era el responsable de la fisión de los neutrones lentos en el uranio. También se concluyó que no sería posible una reacción en cadena de fisión sin la separación del U-235. El ciclotrón lo había inventado Ernest Lawrence cuando estudiaba, en el departamento de física de Berkeley, cómo generar partículas de alta energía. Hasta entonces el método clásico había sido acelerar partículas cargadas en una línea recta sometiéndolas a campos eléctricos, un método que se veía limitado por la distancia sobre la que tenía lugar la aceleración, normalmente menos de diez pies. La gran idea de Lawrence fue hacer que las partículas se movieran en círculos de radio creciente bajo la acción de un campo magnético, sometidas a repetidas aceleraciones por la acción de un campo eléctrico alterno de frecuencia constante. Construyó su primer aparato exitoso, muy pequeñito, en 1931 con la ayuda de un estudiante llamado M. Stanley Livingston.
Pero el método de Nier, espectómetro de masas, era inviable para lo que se pretendía. Según leí en un artículo de Richard Fromm, con ese método se precisarían 75.000 años para conseguir una sola libra de ese isótopo. Sea como fuere, El Consejo de Investigación de Defensa Nacional (NDRC en sus siglas en inglés) suministró fondos para estudiar la separación del U-235 mediante difusión gaseosa en la Universidad de Columbia, mediante centrifugación de alta velocidad en la Universidad de Virginia, y por métodos electromagnéticos basados en el método usado por Nier a pequeña escala en la Universidad de Minnesota.
En Oak Ridge se construyeron dos enormes instalaciones para una separación a gran escala del U-235. Una de ellas se llamó Y-12, y era una planta de separación electromagnética basada en el diseño del calutrón de Lawrence (por cierto, escogió el nombre de calutrón como unión de California y Ciclotrón). Otra planta llamada K-25, era de separación gaseosa, y llegó a emplear a 12.000 personas.
Ahora, el primer reactor nuclear experimental, el de Fermi, fue literalmente una pila de bloques de grafito y uranio, y ahí consiguió por vez primera en el mundo, el 2 de diciembre de 1942, una reacción en cadena de fisión nuclear autosostenida. Ese fue el propósito original del proyecto, pero la pila también sirvió para producir el plutonio, construyéndose un reactor a una escala mucho mayor para producir plutonio en “Site W”, Hanford, Washington. La construcción de la planta comenzó en marzo de 1943 a cargo de unas 45.000 personas, y el primer reactor nuclear, llamado Reactor-B o 105-B, se comenzó a construir en agosto siguiendo el diseño grafito-uranio de Fermi. Y acabaré con una información que creo interesante sobre este último elemento.
Las dos principales cosas que hicieron posible el descubrimiento real de los transuránicos fueron el descubrimiento de la fisión y el invento del ciclotrón. En el primer caso, Lisa Meitner y Otto Frisch habían significado que el U-238 podía absorber un neutrón que, en vez de fisionarse, se convertía en U-239. Este isótopo tiene un decaimiento beta con una vida media de 23 minutos. Meitner, Hahn y Strassmann habían observado esa actividad beta, pero fueron incapaces de identificar su fuente de origen. Este decaimiento beta convierte un neutrón en un protón y produce un elemento que está un puesto arriba en la tabla periódica. Meitner y Frisch llamaban a este elemento “ekarenio” (“Ekarhenium”), pero las propiedades químicas de este elemento no tenían nada que ver con el renio. También interpretaron de forma errada el decaimiento de este isótopo (239) del elemento 93. En realidad, la emisión beta decae en el elemento 94, plutonio.
Edwin McMillan usó un ciclotrón de Berkeley (de 37 pulgadas) para estudiar la energía de los fragmentos de la fisión. Aceleró los núcleos de hidrógeno pesado, deuterones, e hizo que colisionaran con berilio, produciendo un intenso haz de neutrones que se usaron para irradiar uranio. El estudio de los fragmentos de la fisión no condujo a nada de gran interés, pero el uranio que no había sido fisionado, sino que se había transformado, condujo a algo nuevo. Había dos actividades beta, una con una vida media de 23 minutos que procedía del U-239, ya descubierta por Meitner, Hahn y Strassmann, pero otra con una vida media de 2,3 días. MacMillan conjeturó que esta actividad venía del elemento 93, el primer transuránico. Pero necesitaba hacer química, y no siendo químico consultó a Sègre, que tampoco era químico pero estaba familiarizado con la química del renio. Sègre acertó al decir que la actividad beta de 2,3 días no procedía de nada con las propiedades químicas del renio, pero se equivocó al conjeturar de dónde venía. Sègre concluyó que el uranio había fisionado y que uno de los fragmentos de la fisión, el de 2,3 días, era un “tierra rara”, (“rare earth”. Nombre derivado de la química de los siglos XVIII-XIX), que en la tabla periódica es la fila que comienza con el lantano (57) y termina con el lutecio (71). Sègre propuso que el elemento desconocido que producía la actividad de 2,3 días era realmente un “tierra rara” más pesado que el lantano.
Al principio MacMillan aceptó la conclusión de Sègre, pero pronto comenzó a intuir que esa actividad de 2,3 días no se comportaba como un fragmento de fisión. Tenía que ser algo con tanta masa como el uranio. Tuvo la suerte de contar con el químico Philip Abelson, que había llegado a Berkeley para su tesis doctoral. Por esta época se sabía bastante sobre la química del uranio, en particular que el átomo de uranio tenía varios estados de oxidación, configuraciones de electrones atómicos que podían participar fácilmente en reacciones químicas. (Por ejemplo U(IV) para el uranio con cuatro electrones disponibles). Los dos más importantes eran el U(IV) y el U(VI), que tenían cuatro y seis electrones disponibles, respectivamente. El flúor es el agente oxidizante más fuerte, y una de las cosas que hicieron MacMillan y Abelson fue ver si el elemento desconocido reaccionaba con el flúor. Lo hizo y produjo tetrafluoruro. Supieron que tenían un elemento nuevo y que era químicamente homólogo del uranio. Escribieron sus resultados en un breve artículo para el Physical Review, firmado MacMillan y Abelson, y por él ganó el Nobel MacMillan. En el artículo publicado en junio de 1940 no pusieron nombre al elemento 93, aunque ellos le llamaban neptunio, detalle que parece que no fue revelado hasta agosto de 1945, cuando fue liberado el llamado informe Smyth, Atomic Energy for Military Purposes, en el cual Smyth trata el descubrimiento del elemento 94, que es un producto del decaimiento del elemento 93. Aquí reveló por primera vez que el 93 se llamó neptunio y el 94 plutonio.
El artículo de MacMillan y Abelson fue el que llamó la atención de von Weizsäcker en Alemania, como ya comenté. En dicho artículo, el elemento 93, que fue así como lo llamaron MacMillan y Abelson, se decía que era inestable, la acitvidad beta decaía en el elemento 94 con una vida media de 2,3 días. Esto convertía al elemento 93, al menos el isótopo neptunio-239, en inútil para armas nucleares, algo que Weizsäker no sabía cuando remitió su informe de julio de 1940 al Heereswaffenamt (antes de leer el artículo del Physical Review, pues llegó a Alemania bastante tarde). (El neptunio-237 es un isótopo de larga vida que puede usarse en armas nucleares). Pero MacMillan y Abelson también decían que el elemento 93 decaía en el elemento 94, conjeturando que serían capaces de observar partículas alfa del decaimiento del 94. Al no encontrarlas, concluyeron que este decaimiento debía tener una vida media de al menos un millón de años. En realidad, tiene 24.000 años, pero es suficiente para hacerlo un elemento útil.
Cuando Wizsäcker pudo leer el artículo, revisó su propuesta al HW de utilizar transuránicos, y concluyó que el elemento 94 podía ser producido en una Uranmaschine (reactor) y pasó a describir su química: “Es especialmente ventajoso que el producido elemento 94 es fácimente separable (según las reglas que gobiernan el ekarenio o ekaosmio o reglas similares) del uranio y puede ser producido químicamente puro”. Esto era completamente erróneo, incluyendo la palabra “fácilmente”. Finalmente observó que el 94 podía usarse como explosivo nuclear, aunque no indicaba cómo debería diseñarse esa bomba ni la masa crítica necesaria del 94. Todos sus conclusiones las envió a la oficina de patentes alemana probablemente en el verano de 1941.
Y aquí me quedo, hasta otra ocasión.
Saludos cordiales
JL