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El proyecto nuclear alemán

Cuestiones generales relativas a la Segunda Guerra Mundial

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José Luis
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Mié Dic 12, 2012 10:29 pm

¡Hola a todos!

Stephen Maturin escribió:Como bien indicas se ha de leer con calma y analizando lo que se lee, pero es muy interesante...


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.

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
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Eriol
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor Eriol » Mié Dic 12, 2012 11:53 pm

Hola!

Desde luego el tema es interesante y,mas aun,hay que leerlo con detenimiento.

Un par de preguntas para Jose Luis o cualquiera que me las sepa explicar.

1.Por lo que veo,y medio sabia,la fuga de cerebros de los paises del eje en este aspecto industrial fue importante fruto de la persecución. Se que es dificil de cuantificar pero ¿hasta que punto retrasó eso el proyecto aleman o adelantó el americano?

2.También veo,por lo que te leo,que los cientificos alemanes que se quedaron no eran mancos pero se vieron mermados por cuestiones de recursos y de presupuesto. Si hubieran dispuesto de mas de ambos ¿sabrias dar una extimación sobre cuando podría Alemanía tener su bomba?

Entiendo que ambas son cuestiones de HA pero creo que son interesantes de analizar.

Saludos
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José Luis
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Jue Dic 13, 2012 8:51 am

¡Hola a todos!

Eriol escribió:
1.Por lo que veo,y medio sabia,la fuga de cerebros de los paises del eje en este aspecto industrial fue importante fruto de la persecución. Se que es dificil de cuantificar pero ¿hasta que punto retrasó eso el proyecto aleman o adelantó el americano?


Tal como le comenté a Grossman, el exilio voluntario o casi forzado de científicos alemanes y científicos de naciones que fueron anexionadas o que más tarde caerían bajo la esfera de influencia del Tercer Reich, supuso una pérdida tremenda para el avance y desarrollo de la ciencia en Alemania. Muchos de estos científicos exiliados vinieron luego a ser unas piezas claves en el avance del desarrollo de la fisión nuclear en Inglaterra y Estados Unidos, por lo que parece evidente que lo que ganaron los angloamericanos en sus programas nucleares con la colaboración de esos científicos, lo perdieron, en principio, los nazis para el suyo. Incluso un científico como Einstein, que no quiso tener nada que ver con el programa nuclear americano, se hubiera visto en una difícil tesitura profesional y personal al respecto de haber quedado atrapado bajo la dictadura nazi cuando estalló la guerra, de no haber salido para Estados Unidos en diciembre de 1932 (o para cualquier otro país en los años posteriores, como hicieron muchos otros científicos).

Si uno mira la larga lista de científicos que contribuyeron de forma decisiva a la formulación teórica y el desarrollo y comprobación experimentales de las principales cuestiones relacionadas con el desarrollo de la fisión nuclear y la construcción de una bomba atómica, encontrará a muchos científicos exiliados; por ejemplo, Lisa Meitner (que, más tarde, cuando fue invitada a trabajar en USA en 1943 declinó por no querer tener nada que ver con la construcción de una bomba atómica), Otto Frisch, Edward Teller, Hans Bethe, Otto Stern, Victor Weisskopf, Eugene Wigner, Leo Szilar, Rudolf Peierls, y, sobre todo, Enrico Fermi, el físico más completo de todos los físicos de la época. Sólo me voy a detener un poco en Frisch, siguiendo a Baggott, como muestra de la importancia del trabajo que realizaron esos científicos exiliados.

Frisch era un físico austriaco judío de la Universidad de Hamburgo que fue víctima de las primeras leyes raciales nazis, motivo por el cual se tuvo que ir a Inglaterra en el otoño de 1933. Ya hemos visto su papel con su tía Lisa Meitner en el otoño de 1938 (en esas fechas se enteró de que su padre, cuñado de Lisa, había sido arrestado en Viena y luego enviado a Dachau, aunque finalmente pudo emigrar, con su mujer, a Estocolmo) y los artículos que publicó en 1939; de hecho, fue Frisch quien acuñó el término “fisión nuclear”, la correcta interpretación teórica que había realizado su tía sobre el experimento de Hahn y Strassmann (pero el Nobel se lo dieron, un tanto injustamente a Hahn). Como curiosidad, y como ejemplo de lo complejo del tema, la interpretación de Meitner y Frisch sobre el experimento de Hahn&Strassmann ya había sido anticipada, hasta cierto grado, cuatro años antes por la química alemana Ida Noddack, cuando había sugerido que lejos de haber creado elementos transuránicos, Fermi había dividido el núcleo de uranio en varios fragmentos atómicos mucho más pequeños. Pero entonces nadie tomó en serio la propuesta de Noddack, y el propio Hahn la descartó como absurda.

En el verano de 1939 Frisch se fue a Inglaterra (a la Universidad de Birmingham), donde se encontró con el también exiliado físico alemán judío Rudolf Peierls, que había realizado su tesis doctoral bajo Heisenberg en 1928. Frisch decidió comprobar experimentalmente la hipótesis de Bohr y Wheeler sobre que la fisión descubierta en el uranio se debía fundamentalmente al isótopo U-235. Construyó un aparato para separar una mínima cantidad de U-235 por el lento método de difusión térmica de Clusius-Dickel. Pero, mientras tanto, comenzó a pensar que lo teorizado por Bohr y Wheeler se refería a los neutrones lentos. Frisch se preguntó qué pasaría si se utilizaban neutrones rápidos, pues se creía que el U-235 era fisionable por ambos neutrones. Los neutrones rápidos secundarios generados por la fisión del U-235 no serían útiles en mezclas que contuvieran grandes cantidades de U-238, pues una parte potencialmente alta sería removida por la captura resonante de U-238. Pero esa limitación desaparecería si se utilizara U-235 puro o casi puro. Compartió sus ideas con Peierls, quien ya a principios de junio de 1939 había refinado su fórmula matemática para calcular la masa crítica del material necesario para apoyar una reacción nuclear en cadena, una fórmula que había sido desarrollada originalmente por el teórico francés Francis Perrin. Peierls había usado su fórmula revisada para calcular una masa crítica en mezclas de isótopos con grandes proporciones de U-238. Ahora Frisch le pidió que basara su cálculo para neutrones rápidos en U-235 puro. El problema era que nadia conocía el nivel al que el U-235 sería físil con neutrones rápidos, pues nadia había separado suficiente U-235 para medirlo. Tuvieron que especular. Del trabajo de Bohr y Wheeler, sabían que los núcleos de U-235 eran más fácilmente físiles con los neutrones lentos, así que asumieron que los neutrones rápidos serían igual de eficaces, incluso hasta el punto de que la fisión tuviera lugar cada vez que un núcleo de U-235 fuese golpeado por un neutrón rápido. Así que el nivel que debían calcular era justamente el nivel al que los neutrones rápidos golpeaban los núcleos de U-235. En vez de toneladas, estimaron que precisaban una masa crítica de sólo unas pocas libras, lo que significaba que para una sustancia tan densa como el uranio representaba el tamaño de una pelota de golf. Fue entonces cuando creyeron que era posible construir una bomba atómica y, en consecuencia, redactaron dos documentos manuscritos de fecha marzo de 1940. El primero estaba relacionado con los principios físicos y la viabilidad práctica de una superbomba basada en el U-235. El segundo se titulaba Memorandum on the Properties of a Radioactive “Super-bomb”, e iba a resultar clarividente. Se decía que el desarrollo de una arma atómica sería “prácticamente irresistible”, que no se podría usar sin matar grandes cantidades de población civil, y concluían diciendo que: “Si se trabaja bajo la asunción de que Alemania está, o estará, en posesión de esta arma, habrá de aceptarse que no existen refugios disponibles que sean eficaces y que puedan ser usados a gran escala. La respuesta más eficaz sería una contra-amenaza con una bomba similar”. Cuando este memorando, tras varias peripecias, fue visto finalmente por James Chadwick (el Nobel descubridor de los neutrones), que lo apoyó, los británicos aceptaron finalmente la terrible viabilidad de construir una bomba atómica.

Frisch también descubrió la posibilidad de una fisión espontánea del U-235 en 1940, aunque no publicó sus resultados hasta después de la guerra. A finales de 1943, convertido en ciudadano británico, se fue a Los Alamos, junto con otros 30 científicos (la delegación británica Tube Alloys), en el barco de línea los Andes, y por esas fechas, noviembre de 1943, también partían los Bohr en el Aquitania rumbo a Estados Unidos, donde tomaron los nombres de Nicholas (Niels) y James (Aage) Baker. En Los Alamos, Frisch llegaría a calcular la masa crítica precisa necesaria para hacer una bomba.

Este ejemplo de Frisch (y él sólo fue uno de tantos otros científicos trabajando para los aliados) creo que puede servir para atisbar la importancia que tuvo la colaboración de estos científicos en el éxito final del programa nuclear americano. Desde luego, su aportación fue crucial para poder construir una bomba atómica (mejor dicho, dos) a tiempo de ser empleada en la guerra, aunque no contra Alemania, que recordemos era el objetivo inicial de esa proyectada bomba, sino contra Japón. De haberse quedado todos ellos en Alemania y de haber trabajado para el Reich ¿hubieran contribuido a un mayor avance en el programa nuclear alemán? Sin duda, pero tengo mis serias dudas de que esta hipotética circunstancia cambiase el devenir del programa nuclear alemán, por los motivos que ya expresé a Grossman más arriba. Y dudo mucho también, por no descartarlo de plano, que el gobierno nazi pusiera o pudiera poner a disposición de sus científicos los inmensos recursos financieros, industriales y profesionales (humanos) necesarios para que su proyecto nuclear llegara a buen fin.

Una morbosa, pero inútil, historia alternativa sería especular cómo habrían discurrido las cosas, tanto en Alemania como en los demás países, si Enrico Fermi se hubiese dado cuenta de la fisión nuclear que había producido en 1934 cuando “descubrió” los transuránicos.


Eriol escribió:
2.También veo,por lo que te leo,que los cientificos alemanes que se quedaron no eran mancos pero se vieron mermados por cuestiones de recursos y de presupuesto. Si hubieran dispuesto de mas de ambos ¿sabrias dar una extimación sobre cuando podría Alemanía tener su bomba?


No sé cuándo podrían haber conseguido construir una bomba de haber dispuesto de recursos y presupuestos sin límites. Ambos bandos, angloamericanos y alemanes, experimentaron los mismos problemas y llegaron a similares conclusiones en su investigación de la fisión nuclear hasta más o menos la primavera de 1942, pero a partir de entonces se produjo una brecha tremenda entre ambos bandos y los científicos aliados avanzaron como centellas, mientras que los alemanes (que prácticamente descartaron la posibilidad práctica de construir una bomba atómica en junio de 1942, dedicándose fundamentalmente a partir de entonces a la construcción de un reactor nuclear eficaz) quedaron enfangados en el tema de la separación de isótopos y la inducción de una reacción en cadena de fisión nuclear controlada. Quizás el factor determinante que los llevó a descartar la posibilidad de una bomba atómica en junio de 1942 fue su estimación -sacada de las estimaciones propias de los Speer, Milch, Fromm, etc.- de que la guerra terminaría inevitablemente en dos o tres años, ya raramente con victoria o ya, com muchas más probabilidades, en derrota, y la posibilidad de construir una bomba atómica en ese tiempo era casi del todo improbable. Así que, pensaron, la bomba atómica no podría llegar a tiempo para ser decisiva, y la descartaron. Y, en cierta forma, no se equivocaron, pues la guerra en Europa acabó antes de que los americanos pudieran completar y emplear su primera bomba atómica de uranio.

Saludos cordiales
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor maxtor » Jue Dic 13, 2012 4:11 pm

Saludos cordiales.

En primer lugar felicitar a Jose Luis por la extensa y minuciosa explicación sobre los fundamentos físicos y el periplo que tuvo la física teórica en esos años, me ha parecido interesante únicamente comentar a todos las conclusiones que el historiador Richard Overy plantea sobre la posibilidad o no de que Alemania se dotara de una bomba atómica en su libro Por qué ganaron los aliados?.

Las perspectivas de producir armas atómicas fueron muchos mayores en Alemania donde se desarrollaron gran parte de los primeros trabajos en el campo de la física atómica. Todos los países beligerantes sabían de las posibilidades teóricas que la física atómica podría convertida en un arma, pero sólo los EEUU pudo convertir ese conocimiento teórico en un ejercicio práctico hacia el final de la guerra. Creo que este es un factor importante ya que en los años de la década 30 las innovaciones teóricas físicas eran compartidas por muchos de los científicos de los diferentes países con sus publicaciones en revistas especializadas, pero en el fondo subyace un menosprecio hacia los físicos experimentales y los problemas prácticos de llevar a la práctica lo que la mente de los científicos admitían como posible e hizo de esto y otros factores, un obstáculo insalvable para Alemania y Japón de lograr su bomba atómica.

Alemania contaba con abundantes recursos científicos y notables hombres de ciencia, incluso después de que muchos se marcharan a Occidente en la década de los años 30. Fue un químico alemán, Otto Hahn, quien en enero de 1939 publicó el primer trabajo que demostraba que la fisión nuclear del uranio era posible; este proceso era el fundamento de la energía nuclear. En la primavera de 1939 los físicos alemanes comprendieron que la energía liberada en la fisión del uranio sería suficiente no sólo para producir una fuente nueva de combustible, sino también para provocar una explosión que eclipsaría las que se producían utilizando armas convencionales.

Fue el químico Paul Harteck, miembro del partido nazi, que en la década de los años 20 había trabajado con Rutherford en Cambridge, el que escribió a la Oficina de Armamento y Municiones del ejército para dar la noticia de la nueva arma en potencia. Tras la carta de Harteck, parece que quién más interés puso fue el ministerio de educación alemán que creó un equipo de investigación nuclear de alto nivel; en septiembre, muchos de sus recursos fueron absorbidos por el ejército en un proyecto mucho mayor y que absorvió más recursos.

Había varias formas de producir más U235, y entre ellas estaba el método electromagnético como se haría en las instalaciones de Oak Ridge, en los EEUU, más avanzada la guerra, o podía producirse con el material moderador (agua pesada o grafito puro) que se ha comentado por Jose Luis en extenso, así, podríamos considerar el que los científicos alemanes prefirieran esta segunda forma a la primera como un error científico?.

Al comienzo de 1942 el ejército abandonó el proyecto, y el mismo pasó de nuevo al Ministerio de Educación, y los físicos atómicos recibieron la orden de emplear su tiempo en areas relacionadas de forma más directa con la guerra, y nunca se produjeron un reactor nuclear, ni cantidades suficientes de uranio enriquecido. El trabajo de investigación continuó pero fue interrumpido en varias ocasiones por los bombardeos aliados y cuando en 1945 los aliados registraron Alemania en busca de científicos y laboratorios, se encontraron con que los alemanes les faltaban años para producir un artefacto atómico. Algunos científicos alemanes echaron la culpa al sistema con su exceso de compartimentación e injerencias políticas; otros, Heisenberg entre ellos, arguyeron que habían dado largas al asunto, deliberadamente, para impedir que armas nucleares cayesen en manos de Hitler.

Es un mito más que acompaña a muchos asuntos de la 2GM, Hitler fue el verdadero culpable de que Alemania no se volcase de lleno en lograr su bomba atómica, nunca vió con buenos ojos el proyecto, y sin su apoyo el programa atómico no podía movilizar los enormes recursos de mano de obra, materiales y capacidad intelectual que necesitaba. Hitler se tenía por un experto en cañones, carros de combate, pero le costaba comprender (no me extraña) los principios de la física moderna y no le gustaba hablar de ellos porque no los dominaba. Los científicos del partido tildaron gran parte del trabajo nuevo de “física judía” no aria. Cuando Sper intentó hablar con él sobre la investigación, Hitler la condenó calificándola de “fruto de la pseudociencia judía”.

Ahora bien, Hitler no detuvo la física nuclear, pero la investigación fue menos apremiante que otros proyectos armamentísticos; la futura potencialidad, los costes y beneficios inmediatos terminaron por decidir el no ir a por todas con la física nuclear. La arrogancia de los científicos alemanes al suponer que los norteamericanos no tendrían una bomba atómica hasta después de muchos años, arrogancia que también la sufrieron los aliados respecto a los alemanes, fue fruto de un estamento cientítico muy arrimado a los conceptos teóricos, y los problemas prácticos de hacer una bomba atómica fueron dejados de lado, finalmente sólo la capacidad industrial de los EEUU se metió de lleno en vencer esos problemas prácticos capaces de traducir las brillantes mentes físico – teóricas que había en esos años en la comunidad científica internacional.

Esa falta de prestigio práctico pudo hacer que Heisenberg perjudicara el proyecto alemán al insistir en que una bomba de uranio necesitaba sólo una pequeña cantidad de U235 para alcanzar la masa crítica (el proyecto norteamericano necesitó cerca de 14 kilos) y argumentaba que una reacción en cadena no podría controlarse. Hubo investigadores prácticos que hacia la mitad de la guerra, descubrieron que una de las mejores maneras de producir material físicl consistía en emplear temperaturas bajísimas (en Oak Ridge, los norteamericanos utilizaron helio líquido para este fin). Harteck se dio cuenta en 1941 de que los reactores a baja temperatura resolverían los problemas de producción, pero se le negó el uranio que necesitaba para verificar sus conclusiones. Otro investigador, el barón Manfred von Ardenne, que incomprensiblemente trabajaba en la Dirección General de Corros alemanan, encontró el método electromagnético para separar isótopos, que sí fue utilizada finalmente por los norteamericanos.

Ninguna de ambas ideas fue recogida por la elite de los teóricos que dominaban el campo, puede que algunos tuvieran escrúpulos morales, pero el número de hombres de ciencia que apoyaban la guerra y comprendieron la naturaleza de la bomba atómica pero el régimen nazi no estuvo entusiasmado. La responsabilidad de que Alemania no tuviera su bomba atómica antes de acabar la guerra no fue por aspectos morales de la mayoría de su comunidad científica sino que Hitler tenía otros condicionantes estratégicos y prefirió invertir sus recursos en tanques, cañones y armas que veía una utilidad inmediata no futura.

Saludos desde Benidorm.

(Fuente: Richard Overy - Por qué ganaron los aliados?).

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fermat
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor fermat » Jue Dic 13, 2012 8:14 pm

Parece que vamos entrando en temas cada vez más técnicos sobre la cuestión nuclear, y ciertamente puede ser necesario entrar en ellos para comprender mejor el porqué de algunas decisiones y hechos que tuvieron lugar en el periodo de la Segunda Guerra Mundial a este respecto.
Voy por tanto a complementar mi anterior intervención con algo más de información a este respecto.
La fisión de los isótopos de uranio U235 y U238 no solo está relacionada con el tipo de neutrones que incidan en ellos (térmicos o rápidos) sino también, y sobre todo, con la estructura atómica de dichos nucleos. En el núcleo atómico se encuentran dos clases de partículas: protones y neutrones. Los protones con carga eléctrica positiva y los neutrones sin carga. Las cargas del mismo signo se repelen con lo que no debería ser posible encontrar átomos con más de un protón en el nucleo; es decir que si no hubiera otras interacciones, la materia tal como la conocemos no podría existir (exceptuando el átomo de hidrógeno que solo tiene un protón en el nucleo). Afortunadamente hay otras interacciones como la interacción nuclear fuerte (siempre atractiva) que contrarresta la repulsión electrostática y permite la existencia de nucleos más complejos.
Sin embargo, la interacción nuclear fuerte actua solo a distancias muy cortas (del orden del diámetro del protón). Por ese motivo a medida que el núcleo se hace más grande es necesario añadir partículas que le den estabilidad. Los neutrones participan de la interacción nuclear fuerte sin añadir repulsión electrostática, ya que no tienen carga eléctrica. Son por tanto una especie de cemento nuclear.
A medida que el núcleo crece de tamaño hacen falta cada vez más neutrones para mantenerlo estable. Así un átomo de calcio tiene 20 protones y 20 neutrones (número atómico (Z) 20 y número másico (A) 40). Un átomo de hierro tiene 26 protones y 30 neutrones (número atómico (Z) 26 y número másico (A) 56). El antimonio tiene 51 protones y 70 neutrones (número atómico (Z) 51 y número másico (A) 121). El mercurio tiene 80 protones y 122 neutrones (número atómico (Z) 80 y número másico (A) 202). Un átomo de uranio tiene 92 protones y 146 electrones (número atómico (Z) 92 y número másico (A) 238). En esta lista he considerado siempre el isótopo más estable de cada átomo. Si hacemos el cociente entre número de neutrones y número de protones vemos que para el calcio es 1, para el hierro 1.15, para el antimonio 1.37, para el mercurio 1.53 y para el uranio 1.59. Vemos que, en efecto, conforme aumenta el tamaño del nucleo hacen falta más neutrones para mantenerlo estable.
Si comparamos los isótopos del uranio que nos ocupan en este tema el U238 y el U235 vemos que ambos tienen el mismo número de protones (92) pero difieren en el número de neutrones: 146 para el U238 y 143 para el U235. Esa es una de las razones por las que el U235 tiene una vida media menor que el U238 (700.000.000 años frente a 4.500.000.000 años) y por ese motivo en la naturaleza es mucho menos abundante el U235 (0.7%) que el U238 (> 99%).
Pero esta diferencia en el número de neutrones no solo afecta a la abundancia relativa de cada isótopo sino también a su respuesta a la fisión. Siguiendo para el núcleo, el modelo de gota de agua se deduce que para que se produzca la fisión el estiramiento del núcleo debe ser energéticamente favorable; es decir el balance entre las fuerzas electrostáticas y las de tensión superficial debe ser positivo. Esto depende del valor del parámetro Z^2/A, llamado parámetro de fisión (la demostración de este hecho es relativamente sencilla pero creo que sale dl ámbito de este hilo; no obstante si alguién está interesado con gusto se la proporcionaré por mensaje privado). Cuanto mayor es dicho parámetro más fisionable es el isótopo. Así para el U238, el parámetro de fisión vale 35.6; mientras que para el U235 vale 36; y para el Pu239 (Z=94 A=239) vale 37. Vemos así que el U235 es más fisionable que el U238 y que el Pu239 es el más fisionable de todos. Como nota al margen decir que para valores del parámetro de fisión mayores que 47 la fisión es espontánea (no hace falta la interacción con neutrones) y por ese motivo no existen en la naturaleza núcleos con A > 300.

Volviendo al tema de la fisión una vez que el núcleo se ha escindido en dos nucleos más ligeros, resulta que hay neutrones sobrantes. Recordemos que como se ha visto antes cuanto más pequeño es el núcleo menos neutrones hacen falta para mantenerlo en su forma estable. Los neutrones extra, se emiten y son los que se pueden usar para establecer la reacción en cadena.
Se ha hablado antes de neutrones rápidos y lentos. Los neutrones tanto rápidos como lentos pueden fisionar el U235 (y también el Pu239) ahora bien se fisionan más fácilmente con neutrones lentos. El U238 se fisiona bastante mal (lo más normal es que capte el neutrón y emita una partícula gamma sin fisionarse) , aunque es posible hacerlo con neutrones rápidos, mientras que con neutrones lentos no es posible. Es decir, no estamos hablando de un proceso determinista, sino probabilístico. Quiere decir que los neutrones rápidos produciran fisiones en el U235 en muchas menos ocasiones que los lentos, pero aún así serán capaces de producir fisiones. Si queremos generar una reacción en cadena con neutrones rápidos tenemos que aumentar mucho el número de neutrones (rápidos) disponibles, para así compensar su menor eficacia (lo que se llama en física sección transversal de fisión). Eso se hace enriqueciendo el uranio. Al tener mucho más U235 hay muchas más fisiones y por tanto muchos más neutrones rápidos. Por tanto aunque no todos ellos produzcan fisión se producen en suficiente número como para tener una reacción en cadena supercrítica. Esto es lo que hace posible la bomba atómica, ya que en los explosivos nucleares no se usan moderadores, ni absobentes de neutrones, ni nada para reducir la velocidad de los neutrones; esos elementos solo se usan en reactores nucleares. Como dato decir que el combustible nuclear puede ser uranio natural con una concentración de U235 del 0.7%, o bien uranio enriquecido con una concentración de U235 del 3% (aproximadamente) para reactores de agua ligera. Sin embargo para una bomba atómica se necesita uranio o plutonio weapon-grade con una concetración de U235 o Pu239 mayores del 90%; llegando en algunos casos como en las armas nucleares embarcadas en submarinos en que la riqueza de plutonio requerida es mayor del 95% (supergrade).

José Luis escribió: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.

Una pequeña aclaración. El U239 no es un transuranido, es uranio con número atómico 92 y por tanto químicamente indistinguible de cualquier otro isótopo de uranio. El U239 es inestable y sufre una desintegración beta por la que un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un neutrino; y el núcleo se convierte así en el neptunio 239 (número atómico 93). Este si que es el primer transuranido. Si además Meitner y Hahn hubiesen esperado algo más de dos días hubieran visto como ese neptunio 239 sufría a su vez otra desintegración beta, dando lugar al Pu239 (número atómico 94).
Este es precisamente el proceso que tiene lugar en un reactor nuclear y que permite obtener el material fisible necesario para fabricar bombas basadas en el plutonio.

José Luis escribió: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.

No se si esto lo dices por mi afirmación anterior de que un reactor nuclear no es necesario para fabricar una bomba basada en el uranio enriquecido.
Si es así quiero reiterar que, en efecto, el reactor no es necesario para fabricar la bomba de uranio pero si que es imprescindible para la de plutonio. Y por supuesto que si es necesario para producir una reacción en cadena controlada de fisión de U-235. No solo necesario, es que esa es la definición de reactor nuclear: un dispositivo que cuenta con los elementos de iniciación, generación y control que permiten producir y mantener una reacción de fisión y extraer la energía que se produce en ella.
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Jue Dic 13, 2012 8:34 pm

¡Hola a todos!

maxtor escribió: Había varias formas de producir más U235, y entre ellas estaba el método electromagnético como se haría en las instalaciones de Oak Ridge, en los EEUU, más avanzada la guerra, o podía producirse con el material moderador (agua pesada o grafito puro) que se ha comentado por Jose Luis en extenso, así, podríamos considerar el que los científicos alemanes prefirieran esta segunda forma a la primera como un error científico?.


No hay que confundir el moderador, que es el material que se utiliza para reducir la energía cinética de los neutrones, con el proceso físico de separación de los dos isótopos del uranio para su enriquecimiento. Como hemos visto, la ligera diferencia en las masas del U-235 y U-238 permitía separar los dos isótopos para aumentar la proporción de U-235 en el uranio, esto es para enriquecer el uranio. La bomba atómica de uranio tenía que contener uranio altamente enriquecido con una concentración isotópica por encima del 90% de U-235.

Ya hemos observado que durante el desarrollo del programa nuclear, tanto en un bando como en el otro, se consideraron tres métodos físicos para el enriquecimiento del uranio: el de separación electromagnética, y los de difusión térmica y centrífuga. El método de difusión gaseosa sólo fue empleado por el bando aliado.

Los científicos alemanes no cometieron ningún error teórico al considerar y experimentar con las difusiones térmica y centrífuga; fue, en todo caso, un error práctico y un fallo "estratégico", pues cuando comprobaron que la difusión térmica no funcionaba en la medida necesaria (finales de 1940, principios de 1941), se quedaron en pañales y tuvieron que considerar otros métodos radicales, como tengo dicho: la separación electromganética y la difusión centrífuga. La difusión centrífuga era un proceso prometedor, pero entonces no había la tecnología suficiente para producir separaciones en las grandes cantidades requeridas, de ahí que no fuese práctica. Sin embargo, después de la guerra los avances tecnológicos convirtieron la difusión centrífuga en el proceso de enriquecimiento preferido en la actualidad.

Los propios "americanos" utilizaron inicialmente los cuatro procesos arriba descritos, pero abandonaron los de difusión térmica y centrífuga y el de separación electromagnética para concentrarse en la difusión gaseosa. Basado en la efusión molecular, tiene lugar cuando un gas, separado de un vacío por una barrera porosa repleta de agujeros microscópicos, fluye del lado de mayor presión al lado de menor presión y pasa a través de los agujeros porque hay más colisiones con agujeros en el lado de mayor presión que en el de menor presión. Según la observación de Thomas Graham, la tasa o ritmo de efusión de un gas a través de una barrera porosa es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa. De esta forma, las moléculas ligeras pasan por la barrera porosa más rápidamente que las pesadas. La clave en este proceso era dar con el tamaño apropiado y uniforme de los agujeros, lo que supuso un gran problema técnico. Como explica el que fue director técnico de los enclaves del K-25 y el Y-12 en Oak Ridge, William J. Wilcox, en un documental sobre el proyecto Manhattan: "En un centímetro cuadrado, un área aproximadamente de las dimensiones de mi pulgar, tiene que haber cientos de millones de poros todos del mismo tamaño. Si son demasiado grandes, el gas fluye sin que se produzca separación alguna; y si son demasiado pequeños, el gas queda atrapado en ellos y se condensa en la superficie, no llega a atravesarlos; así pues, todo eran obstáculos"*

Cuando lograron superar esos problemas técnicos, todo el el enriquecimiento del uranio se concentró en este proceso de difusión gaseosa, con el que se consiguió en torno a un 80% de enriquecimiento de uranio (combustible para la bomba atómica de Hiroshima), quedando el resto (poco más del 10%) repartido entre la difusión térmica y, en mayor grado, la separación electromagnética.

A los que leáis inglés os recomiendo la web de General Chemistry Case Studies, donde el Dr. Frank Settle hace un excelente resumen de los hitos (títulos a la izquierda de la página) en la historia de la fisión nuclear, con ilustrativos dibujos y fotografías:
http://www.chemcases.com/nuclear/nc-01.html

Saludos cordiales
JL

* http://www.youtube.com/watch?v=nUmNDVq_Uqg (minuto 11).
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Jue Dic 13, 2012 8:50 pm

¡Hola a todos!

fermat escribió:
José Luis escribió: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.


No se si esto lo dices por mi afirmación anterior de que un reactor nuclear no es necesario para fabricar una bomba basada en el uranio enriquecido.

Si es así quiero reiterar que, en efecto, el reactor no es necesario para fabricar la bomba de uranio pero si que es imprescindible para la de plutonio. Y por supuesto que si es necesario para producir una reacción en cadena controlada de fisión de U-235. No solo necesario, es que esa es la definición de reactor nuclear: un dispositivo que cuenta con los elementos de iniciación, generación y control que permiten producir y mantener una reacción de fisión y extraer la energía que se produce en ella.


No había leído tu mensaje cuando envié el que precede. No, no me refería a lo que comentas, sino que incidí en ello porque eso era lo que buscaba, y no consiguión, Heisenberg con sus prototipos de reactores, a diferencia de lo que pasó en USA con la pila de Fermi en diciembre de 1942.

Por lo que te he leído, ya veo que parece que posees unos conocimientos químicos que están muy lejos de mi alcance. Me alegro mucho por ello, pues tus observaciones técnicas, en la medida en que pueda comprenderlas, serán de gran aprovechamiento.

Saludos cordiales
JL
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Vie Dic 14, 2012 12:31 am

¡Hola a todos!

Baggott hace una cronología de algunos de los hechos más importantes relacionados con el desarrollo de la fisión nuclear a partir de su descubrimiento, parte de los cuales me parece interesante trasladar aquí.

-En las navidades de 1938 se descubre la fisión nuclear del uranio.

1939
-En enero Bohr llega a Pricenton y anuncia públicamente el descubrimiento de la fisión.
-En febrero se verifica la fisión en Estados Unidos y en marzo en Francia.
-En abril se forma el Uranverein, se identifica el papel del U-235 en USA y se verifica la fisión en la URSS.
-En julio Frisch se traslada a Birminghan y Heisenberg visita USA.
-En agosto Lindemann minimiza en Gran Bretaña el potencial para las armas atómicas, Einstein firma la carta de Szilard para Roosevelt, y Joliot-Curie, Halban y Kowarski, en Francia, observan el incremento de la fisión en el óxido de uranio. Halban identifica el potencial del agua pesada como moderador.
-En septiembre el HW consolida la investigación nuclear y Heisenberg se une al club.
-En octubre Sachs presenta la carta de Einstein-Szilard a Roosevelt y se establece el Comité Consultivo sobre el Uranio.
-En noviembre Rotblat identifica en Gran Bretaña el potencial para la fisión de neutrones rápidos.
-En diciembre Heisenberg redacta el primer informe al HW, y en USA Lawrence trata de conseguir fondos para crear un ciclotrón de 184 pulgadas.

1940

-En enero Frisch identifica en Gran Bretaña el potencial para la fisión de neutrones rápidos en el U-235.
-En febrero Heisenberg presenta el segundo informe al HW y se identifica en Alemania el agua pesada como potencial moderador.
-En marzo Frisch y Peierls redactan su memorando en Gran Bretaña, y en USA comienza la investigación del grafito como potencial moderador. En Francia, los aliados se hacen con los stocks de agua pesada de Vemork.
-En abril se forma en Gran Bretaña el Comité Asesor sobre el Uranio, llamado más tarde Comité MAUD.
-En junio MacMillan y Abelson publican en USA su artículo sobre el elemento 93 (neptunio), Turner identifica el potencial del elemento 94, Bush forma el NDRC, y en Francia Halban y Kowarski escapan con el agua pesada.
-En julio Weizsäcker identifica en Alemania el elemento 93 como potencialmente físil; en Grab Bretaña Frisch se une a Chadwick en Liverpool, y en USA Briggs informa sobre el uranio al NDRC.
-En octubre se completa en Alemania la Casa del Virus.
-En noviembre comienza el trabajo en USA sobre la pila de uranio-grafito en la Universidad de Columbia.
-En diciembre se llevan a cabo en Alemania los primeros experimentos de reactor nuclear (B-1 y L-1), y en Gran Bretaña Simon informa sobre la difusión gaseosa.

1941

-En enero Bothe concluye en Alemania que el grafito no funcionará como moderador, mientras que Hanle discrepa.
-En marzo una reunión del Uranverein alemán concluye que la técnica Clusius-Dickel (difusión térmica) no funcionará para el uranio. Houtermans, que trabajaba en el grupo de von Ardenne, alerta a los aliados sobre el programa nuclear alemán. En Gran Bretaña, Conant visita a los físicos de MAUD, y en USA Lawrence pide un mayor esfuerzo en la energía atómica, y Seaborg y Wahl aislan el elemento 93 (neptunio).
-En abril se experimenta en Gran Bretaña con un modelo a escala de una planta de difusión gaseosa.
-En mayo Fuchs se une a Peierls en Birmingham, y en USA Seaborg y Segre miden la tasa de fisión del elemento 94 (plutonio).
-En agosto comienza el trabajo en la Universidad de Columbia para construir una pila subcrítica.
-En septiembre Heisenberg visita a Bohr en Copenhagen, se inicia el proyecto Tube Alloys en Gran Bretaña y Oliphant visita USA y discute el informe MAUD.
-En octubre Tronstad huye a Gran Bretaña, y en USA Bush recibe una copia oficial del informe MAUD.
-En noviembre se demuestra en USA el enriquecimiento de U-235 por difusión gaseosa.
-En diciembre una conferencia del Uranverein concluye improbable que la fisión pueda ayudar al esfuerzo de guerra. El control del programa nuclear vuelve al Consejo de Investigación del Reich. Fuchs se convierte en un espía soviético.

1942

-En enero se establece el Laboratorio Metalúrgico en Chicago.
-En febrero el Uranverein informa que es viable una bomba, y en USA los físicos del Tube Alloys visitan los laboratorios del proyecto S-1 (cuyó comité se había establecido en noviembre de 1941).
-En abril Fermi se traslada a Chicago y comienza el trabajo en la pila CP-1 de uranio-grafito.
-En mayo Oppenheimer se hace cargo de la dirección del trabajo en la física de la bomba.
-En junio tiene lugar la reunión alemana en Casa Harnack y explota la pila experimental L-IV. En Gran Bretaña se hace una propuesta de colaboración plena entre Tube Alloys y S-1.
-En agosto Seaborg separa el plutonio.
-En septiembre se nombra a Groves para dirigir el proyecto atómico estadounidense, y el S-1 se convierte en Proyecto Manhattan. Comienza el trabajo preliminar de construcción en Oak Ridge.
-En noviembre se construye la CP-1 y
-En diciembre se produce la demostración del primer reactor nuclear exitoso (CP-1).

1943

-En enero físicos de Tube Alloys son enviados al laboratorio de Montreal.
-En febrero comeinza en USA la construcción de la planta de separación electromagnética en Oak Ridge.
-En marzo comienza en USA la construcción de reactores a gran escala en Hanford, y comienzan a llegar los físicos a Los Alamos.
-En abril se realizan las conferencias inaugurales de Los Alamos y Neddemeyer sugiera la implosión (para la bomba de plutonio).
-En mayo Heisenberg reconoce los resultados del experimento G-II.
-En junio Oppenheimer se encuentra con Tatlock en Berkeley.
-En julio comienzan a trabajar a pequeña escala en la implosión, en USA.
-En agosto se firma el Acuerdo de Quebec sobre colaboración angloamericana. Oppenheimer se entrevista con Pash y Johnson.
-En septiembre Oppenheimer se entrevista con Lansdale y se lanza la misión Alsos.
-En octubre Bohr escapa a Gran Bretaña, y comienza en USA la construcción de una planta de difusión gaseosa en Oak Ridge. Se inicia el proyecto AZUSA.
-En diciembre Segre mide en USA la fisión espontánea del U-235 y la misión Alsos llega a Italia.

1944

-En enero se nombra en Alemania a Gerlach plenipotenciario para la ciencia nuclear, y Heisenberg regresa a Copenhagen. En USA se suicida Tatlock y Kistiakowsky se une a Los Alamos. Se nombre a Teller para dirigir el grupo de la teoría de la implosión.
-En febrero los bombardeos aliados dañan el Kaiser Wilhelm de Química y se produce el sabotaje en Hydro. En USA se reduce la prioridad en la investigación de la fusión, Teller dimite de la División Teórica y Fuchs contacta con Gold.
-En abril Tuck identifica en USA el potencial de los lentes explosivos.
-En mayo Bohr se encuentra con Churchill.
-En junio se nombra a Goudsmit líder científico de Alsos II. Groves contrata la construcción de una planta de difusión térmica líquida en Oak Ridge.
-En julio se traslada el Kaiser Wilhelm de Física a Hechingen, el de Química a Tailfingen, y la investigación del reactor se traslada a Haigerloch. En USA Segre mide la fisión espontánea del Pu-240.
-En agosto Fuchs es trasladado a Los Alamos con Peierls, Oppenheimer reorganiza el trabajo sobre la implosión, Bohr se ve con Roosevelt, y comienzan las modificaciones de aviones B-29 para la bomba atómica.
-En septiembre está operacional el reactor de Hanford, y tienen lugar las primeras pruebas de implosión Ra-La. En la URSS Kurtachov escribe a Beria que el ciclotrón soviético está operacional.
-En octubre Hall, USA, se convierte en espía soviético.
-En noviembre unos documentos alemanes recuperados en Strasbourg convencen a Goudsmit de que no hay una bomba atómica nazi.
-En diciembre se hace crítica la pila-D de Hanford.

1945

-En enero los experimentos de Dragon confirman la masa crítica para el U-235 y comienzan las operaciones en la planta de difusión gaseosa.
-En febrero Heisenberg vuelve a montar el reactor experimental B-VIII en Haigerloch; en USA se completa el diseño del cañón de uranio, se finaliza la composición de los lentes explosivos, y Fuchs restablece contacto con Gold.
-En marzo Alsos captura a Bothe, y en USA se establece el Comité Cowpuncher.
-En abril se captura a Bagge, Wirtz, Weizsäcker, Korsching y Hahn, y en USA el Comité Target identifica los potenciales objetivos para la bomba atómica.
-En mayo Pash arresta a Heisenberg, se captura a Gerlach, Diebner y Harteck, y Ardenne parte para Moscú.
-En junio Rielh sale para Moscú y los soviéticos encuentran en Alemania 300 toneladas de uranio.
-En julio los físicos alemanes llegan a Farm Hall, en USA se realiza la prueba de Trinity, y Truman informa a Stalin sobre la bomba.
-En agosto se lanzan las dos bombas atómicas.

Baggott, pp. 441 y ss.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Vie Dic 14, 2012 10:46 am

¡Hola a todos!

Regresando al programa nuclear alemán, hay una historia muy interesante y realmente novelesca sobre Houtermans, al que ya me he referido del grupo de von Ardenne. Quiero resumirla tal como la cuenta Bernstein en su Plutonium y luego añadiré algo más que cuenta Baggott.

Friedrich (“Fritz”) Georg Houtermans (Danzig, 1903) era hijo de un acaudalado banquero holandés, y su madre descendía de una prominente familia judía de Viena, ciudad a la que fueron a vivir hijo y madre. Aquí Houtermans asistió al Akademische Gymnasium del que fue expulsado por leer el Manifiesto Comunista en el vestíbulo del instituto el Primero de Mayo de 1919. Bernstein cree que fue por estas fechas cuando la madre lo envió a Sigmund Freud para que lo analizara, pero éste también acabó por expulsarlo cuando Houtermans le confesó que estaba inventando sus sueños.

De alguna forma, Houtermans se disciplinó para estudiar y aprobar la entrada para la Universidad de Göttingen en 1921, casi al mismo tiempo del ingreso de Lisa Meitner. Estudió con Born, pero trabajó principalmente con James Franck, que ganaría el Premio Nobel de física en 1925. Franck dirigió el departamento de química en Göttingen hasta 1933, cuando, siendo judío, emigró a Estados Unidos, y cuando acabó la guerra era director de la División Química del Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago.

Houtermans obtuvo su doctorado en química física en 1927 y a principios de la década siguiente trabajó como ayudante del físico Gustav Hertz (que había compartido el Nobel con Franck) en Berlín. Trabajaron en métodos para la separación de isótopos por razones puramente científicas. Con la llegada de Hitler al poder, Hertz, que tenía ascendencia judía, trabajó más o menos tapado en Siemens como físico industrial, y tras la guerra acabó su carrera en la URSS.

Con Hitler en el poder, Houtermans también estaba comenzando a preocuparse por su ascendencia judía, más aún siendo un miembro itinerante del Partido Comunista. Siempre había tenido simpatías por la izquierda y nunca las había ocultado. Pero ante la insistencia de su mujer (Charlotte Riefenstahl, a quien había conocido en la universidad de Göttingen donde ella estudiaba física y química) consiguió un trabajo en Inglaterra, para donde partieron en 1933. Al salir de Alemania, Houtermans casi fue detenido en la frontera por la Gestapo por llevar periódicos de ideología editorial de izquierdas. La Gestapo tomó sus datos y este hecho tendría consecuencias años después.

Sin embargo, no gustando de Inglaterra ni de su trabajo allí, y contra el consejo de gente como Pauli que había estado en la Unión Soviética, Houtermans se fue a trabajar en 1935 a la URSS, al Instituto Físico y Técnico de Kharkov (Ucrania). Curiosamente, cuando el matrimonio llegó a la URSS, la policía soviética quiso saber por qué el equipaje de Houtermans contenía siete ediciones de la Biblia (nadie lo sabe, dice Bernstein). En Kharkov se prohibió a Houtermans mencionar en sus conferencias el principio de incertidumbre de Heisenberg. Poco después comenzaron las purgas de Stalin, y Charlotte, sin que Houtermans lo supiese, huyó a Copenhagen y, luego, a Estados Unidos.

Houtermans pasó los dos años y medio siguientes encerrado en prisiones soviéticas. En una de ellas, en Kharkov, fue interrogado y torturado durante doce días, tras los cuales se le dijo que si no confesaba que era un espía alemán, arrestarían a su mujer e hijos y nunca los volvería a ver. Desconociendo que su familia estaba a salvo en Estados Unidos, Houtermans confesó, tras lo cual pasó los dos años siguientes encarcelado, acabando en la prisión de Lubianka en Moscú. Como resultado del Pacto de No Agresión nazi-soviético de agosto de 1939, Houtermans fue enviado el 30 de abril de 1940 a Brest-Litovsk y entregado a los alemanes. La Gestapo, que había registrado su afiliación comunista, lo arrestó y encarceló en la prisión de Alexanderplatz en Berlín. Lo que siguió parece increíble.

Un compañero de prisión iba a ser liberado y Houtermans le dio un mensaje para que se lo entregara a un viejo amigo en Berlín. El mensaje decía: “Fissel está en Berlín”. Fissel era uno de los apodos de Houtermans. El amigo pronto se hizo cargo de que Houtermans estaba internado en alguna cárcel de Berlín, pero sabía a quien contactar para ayudarlo: Max von Laue.

Laue había nacido el mismo año que Einstein (1879), y cuando Einstein publicó en 1905 su documento sobre la relatividad, Laue era ayudante de Planck, quien lo animó para que se encontrara con Einstein en Berna, siendo en realidad el primer físico moderno que vio Einstein. Laue escribió el primer texto sobre relatividad y, en 1914, ganó el Nobel de física por su trabajo sobre cristales. Se convirtió en profesor de la universidad de Berlín y fue el único científico distinguido, por lo que Bernstein sabe, que permaneció en Alemania siendo un abierto y desafiante crítico de los nazis, sin que Bernstein sepa por qué no acabó en un campo de concentración. Fue la última persona a quien Houtermans había visto cuando partió para Inglaterra en 1933, y también quien había ayudado a Lisa Meitner a escapar de Alemania.

Laue indagó en todas las prisiones de Berlín hasta dar con Houtermans, consiguiendo finalmente su puesta en libertad. Houtermans no intentó ocultarse o pasar desapercibido, y publicó un artículo en Die Naturwissenchaften, firmándolo y dando su dirección de Berlín. Laue supo que esto traería nuevos problemas para Houtermans y le buscó un trabajo donde pudiera pasar más o menos desapercibido. Y aquí entra Manfred von Ardenne.

Ardenne era un inventor y empresario que había inventado algunos artefactos usados en radio y televisión, y las patentes le habían hecho ganar mucho dinero del ministerio de correos alemán. Con estas ganancias y con la ayuda del ministro de correos creó un laboratorio en los suburbios de Berlín. Cuando supo del microscopio de electrones en 1938, inventó uno mejorado que usó Laue en su laboratorio.

En una entrevista de 1993, Paul Harteck dijo que había visto a Ardenne una vez, que era un joven brillante que había realizado buenos inventos y había impresionado al ministro de correos, de quien obtuvo grandes fondos para desarrollar sus ideas. Cuando le preguntaron que, tras saber de la fisión en 1938, Ardenne investigó en este terreno, Harteck dijo que creía que la energía nuclear estaba fuera de su ámbito, que hasta cierto punto Ardenne era un tipo como von Braun. No eran, para Harteck, lo que pudieran llamarse científicos, pero usaron una tecnología muy moderna para superar todas sus dificultades con imaginación y trabajo duro.

Laue también fue enviado a Farm Hall y después volvió a Alemania, a Göttingen y luego a Berlín, donde acabó su carrera. Murió en un accidente de tráfico en 1960.

Bernstein dice que es difícil saber qué hicieron Ardenne y su grupo con respecto a la energía nuclear y cuáles fueron sus relaciones con los físicos del Uranverein como Heisenberg y Weizsäcker. En su autobiografía, Ardenne da una versión de los logros de su laboratorio, pero siendo un fabulador como era, Bernstein dice que uno no puede estar seguro acerca de lo que creer. Sin embargo, hay ciertos hechos objetivos. Ardenne puso muchos de sus esfuerzos en la separación de isótopos, inventando una versión de lo que entonces se conocía en Estados Unidos como calutrón, el separador electromagnético de isótopos inventado por Lawrence y su equipo, y que fue usado como una fase en la separación de isótopos de uranio que produjo el material que fue usado en la bomba de Hiroshima. Pero Bernstein no sabe qué cantidad de uranio separaron Ardenne y su equipo, si es que separaron alguna. Sin embargo, hay una cosa cierta. Cuando los soviéticos entraron en Berlín en la primavera de 1945, pareció que sabían dónde estaba el laboratorio de Ardenne. ¿Cómo se enteraron?

Los soviéticos supieron, por medio de su red de inteligencia, del proyecto nuclear aliado mucho antes de Hiroshima, y despacharon equipos de investigación atómica a Alemania junto con las fuerzas del Ejército Rojo, de manera similar a lo que hicieron los aliados con la misión ALSOS. Los soviéticos no pudieron encontrar a Otto Hahn en el Instituto Kaiser Wilhelm. Ardenne puso convenientemente noticias en ruso de que el instituto era un establecimiento científico. A finales de abril recibió la primera visita de los rusos, y Bernstein no tiene claro qué sucedió después, si Ardenne y muchos de los integrantes de su equipo partieron voluntariamente para la URSS o si fueron trasladados a la fuerza, si bien Ardenne escribió una carta a Stalin ofreciendo sus servicios. Bernstein no sabe si tuvo respuesta. Lo cierto es que Ardenne y parte de su grupo se fueron a la URSS, junto con su equipo, que incluía el separador electromagnético de isótopos. Ardenne y su familia vivieron confortablemente en la URSS durante los nueve años siguientes. Recibió el Premio Stalin de primera clase y usó el dinero para comprar un terreno para un laboratorio privado en la Alemania del Este, adonde se trasladó en 1954. Murió en 1997 en Dresde.

Antes de continuar con Houtermans según el relato de Bernstein, quiero regresar a Baggott y su cuenta de Ardenne, de quien dice que había usado su herencia para fundar su laboratorio en Lichterfeld, en un suburbio de Berlín. También se había asegurado fondos del ministro de correos del Reich, Wilhelm Ohnesorge. para llevar a cabo una investigación independiente sobre la fisión nuclear del uranio. Dice que Ardenne no era un científico académico, pues había estudiado física, química y matemáticas sólo durante cuatro semestres antes de abandonar la universidad para seguir estudiando por su cuenta. Los físicos del Uranverein, aunque no tenían otra opción que tolerar sus actividades, se mostraron distantes con Ardenne.

En cuanto al encuentro con los soviéticos, Baggott dice que el 10 de mayo de 1945 un equipo ruso buscó a Ardenne en su laboratorio de Berlin-Lichterfeld y lo encontró esperando. Los rusos encontraron un prototipo de microscopio de electrones y un prototipo de calutrón. Ardenne discutió planes futuros con Zavenyagin (un general del NKVD) y el 21 de mayó voló hacia Moscú para firmar un acuerdo sobre la creación de un nuevo instituto físico-técnico en la URSS. Unas semanas después llegó a Moscú en tren el personal del laboratorio de Ardenne.

Continuaré por la noche con la historia de Houtermans.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Vie Dic 14, 2012 10:55 pm

¡Hola a todos!

Ardenne encargó a Houtermans el estudio de la la teoría de las reacciones nucleares en cadena. En 1941, Houtermans escribió cuatro informes al respecto. Uno de ellos, titulado “Sobre Cuestiones de la Liberación de Reacciones en Cadena Nucleares” (Zur Frage der Auslösung von Kern-Kettenreaktionen), está fechado en agosto y existen dos versiones casi idénticas. La primera tuvo una circulación limitada, y Bernstein no está seguro si fue enviada a alguien del Uranverein. La segunda, con toda certeza, sí. La explicación está en que en 1941 el HW decidió dejar de apoyar el programa nuclear, que pasó a estar supervisado y financiado por el Consejo de Investigación del Reich (CIR en adelante), con Heisenberg como director del programa. Sin embargo, en 1944 Gerlach fue nombrado jefe de toda la investigación nuclear realizada bajo los auspicios del CIR, lo que le dio autoridad para distribuir el informe de Houtermans, algo que hizo en octubre de 1944. La copia consultada por Bernstein lleva estampada la palabra Geheim! (¡Secreto!), y perteneció a Harteck.

El texto del informe tiene unas 35 páginas y contiene una sección de diagramas y bilbiografía. La última es interesante, según Bernstein, por lo que contiene y por lo que no contiene, deteniéndose en 1940. Hay una referencia al informe de Bohr y Wheeler y al artículo de Louis Turner, pero no hay referencia a los documentos de Turner sobre la capacidad físil de los transuránicos, ni al artículo de MacMillan y Abelson. La mayoría de los informes versan sobre las condiciones para iniciar reacciones en cadena usando neutrones rápidos o lentos incidiendo sobre elementos conocidos como el uranio o el torio. Bernstein, él mismo un físico doctorado en la Universidad de Harvard en 1955 y profesor de física en varias universidades e instituos tecnológicos, dice que al leer el informe de Houtermans experimentó la sensación de que había sido escrito por un físico de primera magnitud con maestría de su material, aunque las últimas páginas del informe eran más especulativas. Houtermans considera qué sucedería si el uranio-238 absorbe un neutrón. Sabe que el núcleo compuesto uranio-239 es inestable contra el decaimiento beta y afirma que con una vida media de 23 minutos, decae en lo que él llama “EkRe239-93” [el BBcode del foro no tiene etiquetas para insertar superíndices, en este caso 239, y subíndices, 93, así que dejo los números tal cual separados por un guión], ekarenio* (v.g., neptunio). En este punto hace una interesante sugerencia. Ya era bien sabido que los elementos pesados decaen en series, hasta que finalmente alcanzan un elemento estable como el plomo. Habían sido identificadas cuatro series. Estaban caracterizadas por una numerología que Bernstein ilustra para la serie aquí relevante. Todas las masas atómicas en esta serie pueden ser representadas por la fórmula 4n + 3. Aquí n es un entero positivo. Para ver cómo funciona, tómese el uranio-235. En este caso buscamos un n tal que 4n + 3 = 235, que da n = 58. Para el uranio-239, el mismo cálculo da n = 59. Lo que propuso Houtermans era que su ekarenio era un miembro de esta serie y que beta-decaería en un miembro adyacente de la serie, que sería el número másico 239 isótopo del elemento 94, es decir, plutonio-239. No intentó estimar el tiempo de vida para este decaimiento (Sin que Houtermans lo supiera, Seaborg había observado el tiempo de vida para este decaimiento de 2,3 días). Luego Houtermans se preguntaba cuáles serían las propiedades del producto de este decaimiento. Observó que, en general, había dos posibilidades. Podría ser del todo inestable, en cuyo caso decaería en una serie hasta que alcanzara un elemento de larga vida como el uranio-235. O podría ser estable, o casi, en cuyo caso tendríamos un isótopo físil del plutonio que era químicamente distinguible del uranio. Bernstein piensa que Houtermans podría usar la teoría de decaimiento de la partícula alfa para estimar cuánto podría vivir un isótopo tal, pero dejó las cosas así.

No hay mención, en el informe, de un explosivo, pero Houtermans estaba muy alarmado con lo que había descubierto. Creyó que debía advertir a los aliados que los alemanes se encontraban ahora en el camino para producir una bomba. Intentó advertirlos dos veces. La primera mediante un mensaje verbal que envió en 1941 por Fritz Reiche, que tuvo la fortuna de poder salir de Alemania en esa época. Pero no hay evidencia alguna de que este mensaje produjera resultado alguno. En 1942 se envió un telegrama desde Suiza al grupo de Chicago, al parecer a instancias de Houtermans. Bernstein desconoce cómo supo de la existencia de ese grupo de Chicago. El cable rezaba: “Apresúrense. Nosotros estamos en el buen camino”. Es de suponer que esto era una referencia al hecho de que los alemanes sabían del plutonio. En realidad, no había nada de que preocuparse al respecto. Los alemanes, dice Bernstein, nunca tuvieron la más remota oportunidad de construir una bomba de plutonio. Y para mostrar lo que involucraba realmente la construcción de una bomba de plutonio pasa a describir los esfuerzos americanos de Seaborg, Chicago y Los Alamos. Pero esto ya escapa al asunto concreto de la historia de Houtermans. Notar que la historia que Bernstein relata de Houtermans está sacada del libro de Thomas Powers, Heisenberg's War (New York: Knopf, 1993). Curiosamente, parece que no hay escrita una biografía sobre Houtermans.

Dos detalles más de este interesante personaje. Se divorció, a distancia, de Charlotte en 1943, pero se volvió a casar al año siguiente y fue padre de tres hijos. En 1953 Charlotte regresó a Europa y Houtermans se volvió a casar con ella. La unión duró dos años y luego Houtermans se casó de nuevo. Permaneció trabajando en Göttingen desde 1945 hasta 1952, cuando se convirtió en profesor en Berna. Por esta época trabajaba en geofísica, a la que hizo grandes contribuciones. Finalmente, era un fumador empedernido (Bernstein, irónicamente, le llama "fumador en cadena"). Siendo difícil conseguir tabaco en Ronneburg, escribió a una tabacalera de Dresde en papel de membrete oficial solicitando un tabaco especial macedonio para un experimento sobre niebla y humo. Le salió bien, pero cuando lo intentó por segunda vez lo cogieron y lo echaron del trabajo. Murió en 1966 de cáncer de pulmón.

Lo siguiente a cuenta de Baggott. Houtermans se casó con Charlotte mientras asistían a una conferencia de física en Odessa en agosto de 1931. Peierls fue un testigo de la boda. Cuando estaba en Inglaterra, se dedicó a reproducir páginas del The Times lo suficientemente pequeñas para poder ocultarlas bajo la estampilla de correos y enviarlas a sus amigos en Alemania en un intento de combatir la desinformación de los medios de comunicación alemanes.

Baggott amplía las circunstancias del primer mensaje que Houtermans envió a través de Reiche. Fue Laue quien le dijo que tenía una oportunidad de enviar un mensaje a América vía Reiche, un físico judío que se las había ingeniado para conseguir todos los permisos y visados de viaje, y que iba a partir para Nueva York a mediados de marzo de 1941. Según Reiche recordó más tarde, Houtermans le había pedido:

Por favor, di todo esto: que Heisenberg no será capaz de resistir por más tiempo la presión del gobierno para empezar de lleno y seriamente en la construcción de la bomba. Y diles, diles que deberían darse prisa, si ya comenzaron esta cosa...deberían acelerar la cosa”.

Cuando llegó a América, Reiche pasó el mensaje a a Rudolph Ladenburg en Princeton. Éste invitó a varios físicos distinguidos a cenar para que Reiche pudiera repetir el mensaje. De ese grupo, sólo Eugene Paul Wigner (físico húngaro emigrado) estaba relacionado con el Comité del Uranio, pero no hizo comentario alguno. Cuando se presentó una oportunidad, pocos días después, para alertar al propio James Briggs (ingeniero americano y presidente del Comité del Uranio), Ladenburg la aprovechó. Briggs mostró una profunda preocupación y pidió que se le diera más información, pero pronto el asunto quedó enterrado entre sus expedientes.

*Sobre el uso de la palabra Eka, Bernstein remonta su historia a Mendeleev en su época de profesor de química en la Universidad de San Petersburgo. Allí, su colega Otto Böhtlingk enseñaba sánscrito. Mendeleev se interesó en ese antiguo idioma y, aunque no está claro cuánto aprendió, llegó a conocer parte de su sistema numérico. Por ejemplo, “eka”, “dvi”, “tri” por uno, dos y tres. Mendeleev usó esos números sánscritos para denominar a los elementos perdidos que había investigado. Del que más tarde se llamó escandio, escribió: “He decidido dar a este elemento el nombre preliminar de ekaboro, derivando el nombre de esto, que sigue al boro como primer elemento....” Es decir, siguió la fila de su tabla que contenía el boro y para observar que el elemento perdido estaba un elemento por encima, de ahí eka. Así, en su anotación eka-aluminio se llamó más tarde galio. En la categoría dvi, dvi-telurio se convirtió en polonio, etc. (Véase Bernstein, p. 8).

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor fermat » Sab Dic 15, 2012 10:04 pm

maxtor escribió:Había varias formas de producir más U235, y entre ellas estaba el método electromagnético como se haría en las instalaciones de Oak Ridge, en los EEUU, más avanzada la guerra, o podía producirse con el material moderador (agua pesada o grafito puro) que se ha comentado por Jose Luis en extenso, así, podríamos considerar el que los científicos alemanes prefirieran esta segunda forma a la primera como un error científico?.


Voy a ver si soy capaz de explicar esto de forma que quede lo más claro posible.
Para producir un explosivo de fisión, es decir una bomba atómica, lo primero es disponer de un material fisible en cantidad suficiente. Los materiales que desde un principio se revelaron como los más adecuados eran el U235 y el Pu239, ya que eran fácilmente fisionables mediante bombardeo neutrónico, y al mismo tiempo eran lo bastante estables como para no tener probemas asociados a desintegraciones espontáneas.
Hay por tanto dos caminos separados para llegar a la bomba de fisión, y cada uno de ellos tiene sus particularidades y sus problemas específicos.
En la naturaleza no existe el plutonio, por ell ambos caminos parten de un punto común que es el uranio; el elemento más pesado que se puede ewncontrar en la Tierra. Dicho uranio está formado por más de un 99% de U238, que es un isótopo difícilmente fisible, y por tanto no apto para fabricar armas nucleares; y solo un 0.7% de U235. La baja concentración del U235 en el uranio natural impide que el uranio, tal como se extrae de las minas, se puede usar para fabricar armas. En esta situación es donde el camino hacia la bomba se bifurca y surgen dos posibilidades:
1- enriquecer el uranio para conseguir un material con una proporción de U235 en torno al 90%;
2- usar el uranio natural (99% de U238 y 0.7% de U235) para crear artificialmente Pu239.

Las dos posibilidades que he señalado requieren métodos y tecnologías muy diferentes.
En el primer caso se trata de encontrar métodos para dentro de la masa de uranio natural, separar el U235 del U238 de forma que podamos acumular el primero y desechando el segundo. Esto no es en absoluto sencillo ya que como se ha indicado antes, no se pueden usar métodos químicos para dicha separación. La razón está en que las propiedades químicas de un elemento le vienes dadas exclusivamente por la nube de electrones que rodea el núcleo. Dicha nube es idéntica en todos los isótopos de un elemento (la única diferencia está en el número de neutrones en el núcleo); por tanto el U235 se comporta químicamente de forma idéntica al U238. Esto es un inconveniente bastante serio ya que los métodos químicos son mucho más eficientes, a la hora de separar unos elementos de otros, que los físicos. Los métodos físicos de separación se basan en la diferencia de masas entre los núcleos de U235 y los de U238. Como el U235 tiene tres neutrones menos que el U238, es más ligero y por tanto se comportará físicamente de forma distinta.
Sea como fuere que consigamos la separación, hay que ir consiguiendo cantidades de uranio con una proporción de U235 cada vez mayor hasta obtener la calidad deseada. Una vez conseguida, ya se trata de disponer de un diseño adecuado de bomba y conseguir hacerla detonar.

En el segundo caso lo que hay que encontrar es la manera de generar Pu239 a partir del uranio natural. El Pu239 se genera como consecuencia de la desintegración beta del U239. El proceso es el siguiente: el U238 captura un neutrón y se convierte en U239. Este isótopo es inestable (vida media 23 minutos) y sufre desintegración beta dando lugar al Np239 (neptunio 239) el cual también es inestable (vida media 2,3 días) y sufre desintegración beta dando lugar al Pu239 el cual ya es estable (vida media 24.100 años). El proceso descrito se puede poner en marcha en un reactor nuclear. Para ello partimos del uranio natural, y provocamos la fisión del U235 contenido en él. La fisión del U235 produce neutrones que se pueden usar para conseguir la reacción en cadena, ahora bien se trata de neutrones rápidos. Los neutrones rápidos son menos eficaces a la hora de inducir fisiones en el U235, por tanto para conseguir una reacción mucho más eficiente hay que reducir su energía cinética. Aquí es donde entra el moderador. Los neutrones rápidos reducen su velocidad al interaccionar con los núcleos del moderador y entonces és más probable que induzcan fisiones. Recordemos que estamos usando uranio con natural, es decir con una proporción muy baja de U235. Eso quiere decir que debemos intentar aprovechar todos los neutrones que se produzcan, ya que el número de fisiones va a ser comparativamente pequeño. Por eso además de un moderador se necesita rodear el combustible nuclear de un material que impida que los neutrones escapen del reactor sin producir fisiones, de ese modo es posible consiguir una reacción crítica con menor cantidad de combustible. Para ello se usan reflectores de neutrones como por ejemplo el berilio. Por último el reactor necesita de elementos de control que permitan regular el ritmo de la reacción de forma que se mantenga dentro de unos límites aceptables; sin que llegue a hacerse supercrítica y sin que el reactor se apague. Una vez que hemos conseguido una reacción estable algunos de los neutrones producidos en la fisión del U235 interaccionaran con núcleos de U238 (recordemos que en el uranio natural hay 100 veces más U238 que U235) y al hacerlo se pondrán en marcha las reacciones nucleares que he descrito antes. Es decir que en el reactor nuclear se genera Pu239 como consecuencia de su normal funcionamiento. Ahora bien el Pu239 también es fisible y una vez generado participará en la reacción nuclear contribuyendo a la generación de energía (esto sucede en un reactor de uso civil). Por otro lado el Pu239 también puede capturar neutrones y convertirse en Pu240. Este isótopo no es adecuado para armas nucleares por dos motivos; en primer lugar presenta una tasa de fisión espontánea relativamente alta, lo que podría producir microexplosiones que darían lugar a la destrucción de arma, en segundo lugar es más radiactivo que el Pu239 (emite radiación de neutrones) y por tanto es más difícil de manejar. Por esos dos motivos el combustible nuclear se debe extraer del reactor no más tarde de tres meses después de que haya empèzado la reacción. Al hacerlo tenemos un material en el que hay mezclados entre otros uranio y plutonio que debemos separar; pero a diferencia de antes ahora si podemos usar métodos químicos mucho más eficientes, sencillos y baratos. Una vez que tenemos Pu239 en cantidad suficiente ya podemos pensar en hacer la bomba.

Como hemos visto las necesidades en cada caso son diferentes. Para la bomba de uranio necesitamos un método eficiente de separación de isótopos. Sea cual sea el método elegido el proceso será largo y complejo, requerirá unas instalaciones enormes, y vamos a necesitar tener acceso a una importante cantidad de materia prima; ya que más del99% del uranio que tengamos no nos servirá para nada. A cambio nos podemos olvidar de reactores, moderadores y demás.
Si elegimos el camino del plutonio las necesidades son otras. Necesitamos un reactor nuclear en el cual podamos "fabricar" un material que no existe en la naturaleza; y necesitaremos todo aquello que un reactor implica: moderadores, elementos de control, etc. A cambio nos podemos olvidar de todas las complejidades asociadas al proceso del enriquecimiento de uranio. Además vamos a necesitar mucho menos uranio que en el caso anterior, ya que ahora si que vamos a poder aprovechar el U238 que antes no nos servía de nada, y además la masa crítica del plutonio es menor.

La elección entre uno u otro camino no es ni mucho menos obvia. Los americanos en el Proyecto Manhatan decidieron seguir las dos para estar más seguros del éxito y porque no tenían del todo claro cual era la mejor (esto es algo muy típico de los americanos cuando se trata de cuestiones de Defensa). En la actualidad la cosa está mucho más clara y casi todas las armas nucleares de fisión actuales están basadas en el plutonio.

En ese sentido por tanto no se puede decir que los alemanes cometieran un error por elegir el camino del plutonio. Yo más bien diría que su error fue que no valoraron adecuadamente lo que suponían las armas nucleares. No se dieron cuenta de que en el ámbito de la Segunda Guerra Mundial aquel que consiguiese dicho arma en primer lugar, se convertía sin discusión en el ganador. Y quizás por eso no pusieron el empeño ni los medios necesarios para alcanzar un objetivo, que en cualquier caso era colosal, y cuyo éxito no estaba ni mucho menos garantizado pero que era, sin duda, la única oportunidad que tenía Alemania de acabar la guerra de forma victoriosa.
Es curioso que cuando los nazis hablaban de las "armas milagrosas" que serían capaces de invertir el curso de la guerra nunca pensaban en armas nucleares. No se dieron cuenta que sus cohetes V y sus aviones a reacción reprentaban tan solo un salto más que nada cualitativo (que no es poco) en la capacidad destructiva; mientras que el arma nuclear representaba sobre todo un salto cuantitativo de enorme magnitud. La bomba de Hiroshima tenía una potencia de 18 kilotones. Esto supone 18000 toneladas de TNT. En comparación con eso una V2 podía llegar una carga de unos 900 Kg de explosivos. O sea que una sola bomba atómica equivalía a 20.000 V2. Aunque hubieran llegado antes en la guerra los cohetes V difícilmente hubieran podido contrarrestar la enorme superioridad en hombres y material que tenían los Aliados; sin embargo la bomba atómica sí.
No haber sido capaces de ver eso es lo que creo que fue el mayor eror de los alemanes en el asunto del programa nuclear, y no la elección de un camino u otro para el arma atómica.
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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Dom Dic 16, 2012 12:55 am

¡Hola a todos!

fermat escribió:No haber sido capaces de ver eso es lo que creo que fue el mayor eror de los alemanes en el asunto del programa nuclear, y no la elección de un camino u otro para el arma atómica.


Eso, a mi juicio, no es aplicable a los científicos del Uranverein, que en todo momento se dieron cuenta de las implicaciones decisivas de una bomba atómica para el esfuerzo de guerra alemán. Si en junio de 1942 descartaron supuestamente la vía de la bomba, fue porque no creían posible conseguirla antes de que acabase la guerra, y por tanto su posible uso no llegaría a tiempo. Eso, al menos, es lo que dijeron y lo que está en los informes de la reunión de Casa Harnack. Otra cosa es lo que pudiera pensar Hitler, que no gustaba de pensar a medio o largo plazo (salvo cuando se entregaba a especular con sus fantásticos proyectos del Tercer Reich), y que además no creo que pudiese comprender plenamente, a diferencia de otros campos de armamentos, lo que estaba realmente en juego con la investigación de la fisión nuclear, cosa lógica por otra parte. No fue fácil convencer a Roosevelt y su círculo político para lanzarse de lleno en el Proyecto Manhattan, ni tampoco fue fácil aceptar la viabilidad práctica de una bomba atómica en el bando político británico.

Sin embargo, yo me aventuro a decir que hubo ciertos errores técnicos de calado en el grupo del Uranverein. Por ejemplo, descartar el proceso de difusión gaseosa para la separación de isótopos. En la segunda parte de su informe secreto de febrero de 1940 (la primera parte la había presentado en diciembre de 1939), Heisenberg dijo que la separación de isótopos, como el U-235, estaba entonces fuera del alcance de las capacidades técnicas de Alemania y de cualquier otra nación. Sin embargo, desde la década de 1920 Gustav Hertz (laureado con el Nobel) había estado perfeccionando el método de difusión gaseosa de separación de isótopos. Su tío, Heinrich Hertz, famoso por haber descubierto las ondas electromagnéticas, era de ascendencia judía, y por tal motivo Gustav Hertz fue despedido de su trabajo como jefe del departamento de física del Colegio Técnico de Berlín. Como apunta David Cassidy en su biografía de Heisenberg, Beyond Uncertainty de 2009, quizás la ceguera que mostraron los científicos del Uranverein ante esta alternativa crucial de la difusión gaseosa estuvo provocada por la propia política racial del régimen nazi. Fue quizás el método más exitoso de los aliados, y más tarde, gracias al propio Hertz, de los soviéticos.

Otro error en ese informe de Heisenberg fue su inclinación hacia el agua pesada como moderador. Creía, quizás por lo datos imprecisos que le dio el equipo de Weizsäcker, que el grafito puro no funcionaría y tenía dudas de “si la máquina de uranio podía construirse con carbón puro”. Casi un año después de este informe, en febrero de 1941, Bothe confirmó, erradamente como ya dejé dicho en la introducción de este hilo, que el grafito no era adecuado como moderador. Y no volvieron a reconsiderar este asunto, grafito como moderador, hasta 1944. Parece evidente que no comprendieron que el grafito debía ser ultrapuro, libre de cualquier otro elemento, incluso más puro que el grafito industrial puro. Fermi hizo crítica su pila de Chicago en diciembre de 1942 usando grafito ultrapuro como moderador para reducir la energía cinética de los neutrones, y barras de control de cadmio para reducir o detener la reacción una vez crítica.

Es posible que en este caso del rechazo final del grafito como moderador, ayudase la captura de la planta noruega de agua pesada de Vemork en la primavera de 1940, aunque luego las cosas (el hacerse con suficiente de ese material moderador) no salieran como esperaban los científicos alemanes. Quizás este hecho haya pesado también para descartar la recomendación que hizo Heisenberg a principios de enero de 1940 para construir una planta de agua pesada tan pronto como tuviera confirmación experimental de que el agua pesada sería un moderador adecuado.

Luego hay otra cuestión que me parece importante. En la historia que resumí de Houtermans según las cuentas de Bernstein y Baggott, recordaréis que Bernstein no sabía si en el Uranverein habían recibido su informe de agosto de 1941 [“Sobre Cuestiones de la Liberación de Reacciones en Cadena Nucleares” (Zur Frage der Auslösung von Kern-Kettenreaktionen)]. Al mirar en la biografía de Heisenberg por Cassidy, he comprobado que, al menos, tanto Weizsäcker como Heisenberg parece que supieron de ese informe muy pronto. Sea como fuere, la fecha es importante. En agosto de 1941 las fuerzas del mariscal von Bock están enfangadas a la defensiva en Smolensk mientras Hitler se dispone a lanzar su ofensiva contra Kiev. Pero tres meses más tarde, sus ya débiles esperanzas de concluir victoriosamente su campaña militar en Rusia en 1941 se derrumbaron por completo. Bajo esa coyuntura de fracaso estratégico, Schumann convocó a los científicos del Uranverein a una reunión a celebrar el 16 de diciembre de 1941 para decidir el destino del programa nuclear alemán. Durante esa reunión se acordó que los del Uranverein debían preparar un informe sobre el estado de su investigación para el general Leeb, el jefe de la Oficina de Armamento y Material del Ejército. Se convocó una nueva reunión en febrero de 1942 para leer ese informe.

En la reunión de febrero los del Uranverein reportaron que había que seguir con la investigación y desarrollo de la energía nuclear; algo, dijeron, que ya estaban haciendo los americanos. Dijeron que no consideraban un problema la cuestión del tiempo, pues el “éxito está cerca”. Esto pese a que no habían logrado hasta la fecha (ni lo lograrían en el resto de la guerra) construir un reactor y hacerlo crítico. Dijeron que la construcción de un arma nuclear para la Wehrmacht dependía del desarrollo de las nuevas técnicas de separación de isótopos o de la generación del nuevo elemento 94 (plutonio) en el primer reactor que funcionase. Pero esta última cuestión de un reactor eficaz estaba siendo obstaculizada menos por problemas científicos que “por problemas relacionados con la adquisición de materiales”, problemas estos últimos que creían podían resolver sus patrocinadores del ejército. Schumann y Leeb debieron pensar de otra forma, pues cortaron la financiación del programa nuclear y devolvieron todo el asunto al Consejo de Investigación del Reich (CIR).

Ahora bien, en una reunión convocada por el CIR en ese mismo mes de febrero, día 26, Heisenberg afirmó que podía construirse pronto una máquina de uranio para generar suficiente energía para emplear por acorazados y submarinos. También dijo que el U-235 puro, en cantidad suficiente, sería un “explosivo de poder totalmente inimaginable”. Pero añadió inmediatamente que separar U-235 del uranio natural era difícil y requería técnicas sofisticadas que todavía no estaban disponibles. Expresó que una ruta alternativa para las armas estaba en la máquina de uranio: “Tan pronto como esté operando una máquina tal, la cuestión de cómo obtener material explosivo, según una idea de von Weizsäcker, toma un nuevo giro. En la transmutación del uranio en la máquina, surge una nueva sustancia, el elemento 94, que muy probablemente, como el U-235, es un explosivo de una fuerza igualmente inimaginable. Esta sustancia es mucho más fácil de obtener del uranio que el U-235, puesto que puede separarse del uranio por medios químicos”. (Cassidy, 422). Quizás por estas optimistas expectativas, dos meses más tarde Heisenberg fue nombrado director del Instituto Kaiser Wilhelm de Física.

Pero sólo unos meses después, en junio de 1942, el proyecto de construir una bomba se desechó aparentemente, al menos en lo que concernía a los científicos del Uranverein, que Heisenberg dirigió hasta 1944. No consiguieron ni hacer un reactor crítico ni un solo microgramo de plutonio.

Al margen de la carencia de recursos de todo tipo, yo tengo para mí que los científicos del Uranverein cometieron errores importantes en su programa nuclear, y no por falta de interés o de saber lo que supondría en la guerra para Alemania la consecución de armas nucleares.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Dom Dic 16, 2012 10:20 am

¡Hola a todos!

fermat escribió:
(...) Al hacerlo tenemos un material en el que hay mezclados entre otros uranio y plutonio que debemos separar; pero a diferencia de antes ahora si podemos usar métodos químicos mucho más eficientes, sencillos y baratos. Una vez que tenemos Pu239 en cantidad suficiente ya podemos pensar en hacer la bomba.


Fermat, no sé si al hablar de métodos "sencillos" vienes a significar algo similar a lo que dijo Weizsäcker sobre la separación química del plutonio y uranio, que él tildó de "fácilmente". Bernstein dijo que la frase del físico alemán era completamente errada, en particular lo de "fácilmente". Como no sé si tu significas lo mismo (aunque sospecho que quieres decir que una vez hallado el método de separación, el proceso es relativamente sencillo), quiero resumir lo que al respecto cuenta Bernstein en su Plutonium.

Según explica Bernstein, la primera vez que se sugirió que el plutonio podía ser fisionable fue en un artículo científico de enero de 1940, autoría de Louis Turner. Aquí se preguntaba por qué los transuránicos no eran tan abundantes como el uranio en la superficie de la tierra. Era de suponer que habían sido creados al mismo tiempo y en cantidades similares a las del uranio. ¿Qué había sido de ellos? La solución que propuso Turner fue que en algún momento en los orígenes del universo habían sido expuestos a neutrones y habían fisionado. En concreto, propuso la fisionabilidad de lo que llamó 94EkaOs239, ekaosmio. Preocupado por si debía publicar este artículo, consultó con Leo Szilard, el físico húngaro que pidió a Einstein que firmara su carta de 1939 para Roosevelt, y que se había convertido en una especie de censor de lo que se podía publicar en la literatura científica sobre la fisión nuclear. Al parecer, se consideraron las ideas de Turner demasiado especulativas para ser un riesgo de seguridad, por lo que Turner las publicó. Pero también escribió una breve carta al Physical Review titulada “Energía Atómica del U-238” en la que describía cómo el uranio-238 podía producir ekaosmio. Observó que el isótopo 239 sería fisionable y así fuente de energía nuclear. Esta nota fue censurada por Szilard y no fue publicada hasta 1946. Luego Bernstein explica que uno no necesita un escenario tan barroco como el de Turner para dar cuenta de la ausencia de plutonio terrestre.

Bien, en la carta a la oficina de patentes alemana que Weizsäcker escribió, probablemente, en marzo de 1941 (con sus conclusiones sobre el artículo que leyó de MacMillan y Abelson), a la que ya me he referido, decía que el elemento 94 podía ser producido en una Uranmaschine, una máquina de uranio (reactor), y luego pasó a describir su química, diciendo que el elemento 94 era fácilmente separable (según las reglas que gobiernan el ekarenio o ekaosmio, o reglas similares) del uranio y se podía producir químicamente puro. Bernstein califica esta frase como enteramente equivocada, incluyendo la palabra fácilmente. (Bersntein, 84).

Cuando los científicos alemanes prisioneros en Farm Hall se enteraron del lanzamiento de la segunda bomba de Nagasaki, discutieron el asunto. Como la prensa y la radio decían que era una bomba de material diferente que el de la bomba de Hiroshima, conjeturaron que podría tratarse de un elemento llamado “Pluto” que, al parecer, había sido descubierto en 1941, conjetura que Heisenberg descartó. Los informes sugerían incluso que ese elemento podía ser producido en una “máquina”. Algo que Heisenberg descartó de nuevo: “No creo que los americanos pudieran haberlo hecho. Tendrían que haber tenido que tener, digamos, una máquina funcionando no más tarde de 1942, y tendrían que haber tenido que tener esta máquina funcionando al menos durante un año, y luego tendrían que haber tenido que haber hecho toda la química”. Esto estuvo muy cerca de lo que pasó.

Luego Bernstein, para rebatir lo dicho por Weizsäcker (fácilmente), explica la historia de Glenn Seaborg, que en abril de 1942 viajó a Chicago para hacerse cargo de la investigación del plutonio. La misión de Seaborg la explica él mismo en su autobiografía:

El desafío del grupo de química era encontrar un proceso por el cual pudiéramos separar el plutonio de todo el material después de la reacción en cadena. El proceso tendría que funcionar a gran escala. El plutonio estaría presente en una concentración de unas 250 partes por millón. Esto significaba que habría cerca de media libra de plutonio en cada tonelada de uranio irradiado. El uranio también contendría una larga selección de productos de fisión intensamente radioactivos. Así que nuestro reto era encontrar una forma de separar cantidades relativamente pequeñas de plutonio de toneladas de material tan intensamente radioactivo que nadie podía estar cerca; la separación [del plutonio del uranio] tendría que hacerse por control detrás de varios pies de cemento. No podía haber averías que requirieran reparaciones porque la radioactividad impediría que nadie se acercase al aparato una vez que comenzase a funcionar.

Teníamos que desarrollar este proceso para un elemento que ahora [en 1942] existía en tan minúsculas cantidades que nadie lo había visto jamás. Todo nuestro conocimiento se basó en la evidencia secundaria de microquímica, medidas de radioactividad y reacciones deducidas. La microquímica era en sí misma relativamente nueva; las deduciones basadas en ella estaban a menudo sujetas a la duda
”.

Seaborg sabía, del trabajo que ya había hecho en Berkeley, que el plutonio, como el uranio, tenía estados de oxidación estables, es decir, estados atómicos en los que algún número de electrones habían sido sacados del átomo poniéndolo en contacto con un elemento, como el flúor, que atrapa electrones. Los estados relevantes del plutonio eran los estados en los que se habían sacado cuatro o seis electrones. La cuestión era cómo explotar esta propiedad. En primer lugar se necesitaba plutonio, que en esa época sólo venía de los ciclotrones. El ciclotrón de 60 pulgadas de Berkeley suministraba algo de plutonio, pero su mayor parte venía del ciclotrón de la Universidad de Washington en St. Louis que funcionó 24 horas al día durante un año irradiando uranio. Seaborg informa que en un año y medio los dos ciclotrones produjeron dos miligramos, el tamaño de un grano de sal, de plutonio. Y por supuesto venía sin separar de la matriz de uranio y de los fragmentos de fisión radioactivos.

No había ninguna “receta de cocina”, dice Bernstein, para el tipo de química requerido para separar el plutonio (consistiendo mucho en ensayos y errores), pero la idea básica era esta: El uranio, plutonio, y la mezcla de fragmentos de fisión que venía del ciclotrón se disolvía en ácidos nítrico y sulfúrico. Uno de los químicos de Seaborg, Stan Thompson, hizo un descubrimiento accidental. Halló que si oxidizaba el plutonio y lo ponía en el ácido en una alta concentración de fosfato de bismuto, el plutonio -en el estado de oxidación donde los cuatro electrones estaban ausentes- se pegaba al fosfato de bismuto y formaba un cristal insoluble que precipitaría de la solución dejando el resto de los desechos detrás. No sólo eso, sino que lo hacía con una grandísima eficacia. El precipitado se disolvía luego en ácido nítrico. Se añadía un agente oxidizante que lleva el plutonio de un estado en que estaban ausentes cuatro electrones a uno en el que estaban ausentes seis. El plutonio en este estado no precipita con el fosfato de bismuto, y casi queda plutonio puro detrás. Se puede purificar más añadiendo un agente reductor, que restaura dos de los electrones, y se comienza de nuevo. Dice Bernstein: “Me detengo en este detalle para mostrar lo que realmente involucraba, que contradice lo que ingenuamente dijo Weizsäcker en su solicitud de patente, a saber que el plutonio y el uranio podían ser separados “fácilmente” usando leyes convencionales de química. (Bernstein, 103).

Finalmente, otra cosa que me gustaría aclarar con fermat, si es que he entendido bien el verdadero significado de lo que ha dicho en su última intervención, es la supuesta opción entre las dos vías abiertas para perseguir la bomba: la de uranio y la de plutonio. Quiero entender que al principio, digamos hasta la primavera de 1940, los americanos sólo tenían abierta la investigación de la vía de uranio, por así decir, mientras que en el bando alemán, sólo se contempló esta vía del plutonio por primera vez entre finales de 1941 y principios de 1942. Quiero decir que al principio, en uno y otro bando, estaban condenados a trabajar en la separación física de U-235, y sólo tiempo después en el caso americano se comenzó la vía de separación química del plutonio a partir de la primavera de 1942.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor José Luis » Dom Dic 16, 2012 2:14 pm

¡Hola a todos!

Me quedaba esto en el tintero para rematar (de momento) con el método de separación del plutonio.

A finales de agosto el equipo de Chicago había aislado suficiente material para que, usando un microscopio, pudieran ver realmente una minúscula gota de plutonio. Era la primera vez que alguien veía un elemento transuránico. El paso siguiente era delinear un proceso que se pudiera incrementar en miles millones para que el plutonio de un reactor de producción pudiera separarse por gramo. Seaborg describe una reunión en agosto de 1943 con Crawford Greenewalt de la DuPont Corporation, que iba a construir los reactores de producción. Greenewalt tenía que decidir inmediatamente cómo iba a tener lugar la separación. Por estas fechas, se habían descubierto dos métodos. Uno de ellos involucraba fluoruro de lantano; si funcionaba, daría un mejor rendimiento y era químicamente más comprensible. Por otra parte, si no funcionaba no habría rendimiento en absoluto. Con el fosfato de bismuto nadie comprendía por qué funcionaba. De hecho, James Franck razonaba que de acuerdo a las leyes convencionales de química no debía funcionar. Pero funcionaba y produjo un confiable, pero bajo, rendimiento. Sin dudarlo, Greenewalt escogió el fosfato de bismuto, y sobre esta base se construyeron los reactores de producción.

En el verano de 1944 comenzaron a llegar de los reactores de producción a Los Alamos las primeras muestras de plutonio con una masa de un gramo o más. El problema ahora era cómo transformarlas de una curiosidad de laboratorio en material para hacer una bomba.

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Re: El proyecto nuclear alemán

Mensajepor fermat » Lun Dic 17, 2012 3:47 am

Hola José Luis. Voy a tratar de contestar a las dos cuestiones que planteas con respecto a mi última intervención. Si me lo permites empezaré por el final, es decir por lo que se refiere a la "sencillez" de la separación química del Pu239.
Cuando digo "método más sencillo" quiero decir más sencillo en comparación con la separación del U235 del U238; no quiero decir, por supuesto, que sea algo que se puede hacer sin más en una instalación cualquiera y utilizando instrumental y materiales "de andar por casa" (afortunadamente, sino nos enfrentariamos a un riesgo muy serio de terrorismo nuclear).
Efectivamente que separar el plutonio del uranio es algo complejo; en primer lugar hay que encontrar los reactivos y procesos más adecuados para conseguir la separación sin que se produzcan indeseadas contaminaciones en el elemento a separar. Además en este caso hay, efectivamente unas consideraciones de seguridad realmente formidables ya que estamos tratando con materiales altamente radiactivos. Sin embargo, con todo y con eso, la obtención de Pu239 es comparativamente más sencilla que la separación de isótopos. Ahí están los diversos métodos usandos en el Proyecto Manhattan, y la dificultad de su puesta a punto. Incluso una vez puestos a punto, el proceso requiere unas enormes instalaciones y periodos de tiempo muy largos ya que los procesos no eran lo bastante eficientes.
En cambio en el caso del plutonio, una vez encontrado el método más adecuado el proceso es, como bien dices, relativamente sencillo.

En cuanto a las afirmaciones de Bernstein, me parece que en algunos casos exagera; por ejemplo cuando habla de concentraciones pequeñas de 250 ppm. Para coger un ejemplo cercano, el uranio se encuentra en la corteza terrestre en concentraciones en torno a 4 ppm; es decir unas 60 veces más pequeñas que las mencionadas por Bernstein. Aún así el uranio es mucho más abundante que la plata (0.07 ppm), el oro (0.005 ppm), el cadmio, el mercurio y muchos otros; y puede ser separado por métodos químicos, al igual que los otros que he mencionado, sin ningún problema especial. Una concentración de 250 ppm es una concentración muy grande para lo que es habitual.

Quiero hacer un pequeño paréntesis para comentar las afirmaciones de Louis Turner. Desde luego no es que sean barrocas como dice Bernstein, es que no tiene ni pies ni cabeza. Decir que el plutonio se formó en el origen del Universo, es un disparate. Todos los elementos pesados se forman en interior de las estrellas gracias a los procesos de fusión nuclear (no confundir con fisión) que tiene lugar en el interior de las mismas. En dichos procesos nucleos ligeros como el hidrógeno, número atómico 1, que es el constituyente básico de una estrella, se combinan entre sí para crear núcleos de elemntos más pesados. Estas reacciones nucleares generan un enorme cantidad de energía que es emitida por las estrellas en forma de luz y calor, y que permite, entre otras cosas, la vida en nuestro planeta. Esos elementos pesados así generados permanecen en el núcleo de la estrella hasta que ésta se convierte en una supernova, momento en el que los elementos formados en su interior se esparcen por el Universo. Esos restos pueden más tarde dar lugar a otras estrellas (de 2ª generación) o bien a planetas. La razón de que algunos de esos elementos desaparezcab está en la radiactividad. Así el Pu239 tiene una vida media de 24.100 años. Eso quiere decir que en 24.100 años la cantidad de Pu239 que pudiese haber en la Tierra se reduce a la mitad. Puesto que la edad de la Tierra se estima en unos 4.500.000.000 años el plutonio que hubiera podido haber se hubiera reducido de manera que en la actualidad se hubiera dividido por 2^186722. Esta cantidad es tan enorme que una calculadora normal no es capaz de calcularla; es decir no debería quedar ningún Pu239 en la Tierra. Para hacer algo más ilustrativo veamos el caso del uranio. En la Tierra tenemos U238 en más de un 99% y U235 en un 0.7% (aproximadamente). La vida media del U238 es de unos 4.500.000.000 años (similar a la edad de la Tierra) mientras que la del U235 es tan solo de 700.000.000. Es decir si al formarse la Tierra hubiese habido 100 partes de U238 y 100 partes de U235; ahora deberían quedar, debido a la radioactividad, 50 partes de U238 y 1.1 partes de U235. Se ve que la radiactividad de cada uno de los isótopos explica bastante bien su abundancia relativa en la Tierra.

Vamos ahora con el asunto de lo que he llamado los dos "caminos" hacia la bomba. Cuando hablé de dos caminos no quise decir, y creo que no dije, que ambos caminos empezasen o pudiesen empezar al mismo tiempo. Evidentemente el plutonio no existe en la Tierra por lo que cualquier investigación de un camino basado en el plutonio estará, necesariamente supeditada a la obtención de dicho material. El camino del uranio es el más obvio ya que el U235 está presente en la Tierra aunque sea en pequeñas cantidades, con lo que nos podemos plantear enseguida el problema de su extracción y enriquecimiento. Malamente podemos investigar con el plutonio cuando no tenemos el problema de como conseguir cantidades apreciables de dicho elemento; con el uranio en cambio ese problema no existía. El reactor de la Universidad de Chicago CP-1 alcanzó su condición crítica en diciembre de 1942; a partir de ahí ya se pudo pensar en producir plutonio y en como separarlo del uranio; antes no.
Sin embargo este dato que has puesto me da pie a volver sobre el tema de la sencillez. A pesar de que el camino del uranio empezó unos dos años antes que el del plutonio, el resultado que se perseguía, la bomba, llegó casi simultáneamente. Tanto el reactor para producir plutonio, como los métodos químicos de separación demostraron ser en su aplicación (no necesariamente en su concepción) más eficientes y sencillos que los laboriosos métodos de enriquecimiento de uranio. Y eso que para construir la bomba de plutonio hubo que vencer una dificultad adicional, como fué la forma de hacer detonar la bomba. Mientras que la bomba de uranio se podía hacer detonar con el sencillo (entiéndase sencillo en sentido relativo) diseño de "cañón", para hacer la bomba de plutonio hubo que poner a punto el más complejo diseño de la implosión.

Ahora me voy a referir al otro punto que comentó José Luis; el que se refiere a la apreciación por parte de los científicos alemanes de la verdadera importancia de la bomba atómica. Cuando se habla de que creyeron que la boma no podría desarrollarse a tiempo de poder usarse en la guerra; cabría decir que eso dependería en todo caso de los recursos que se asignasen a dicho proyecto. En segundo lugar habría que hacer notar que incluso un desarrollo tosco, por no decir burdo, del arma nuclear sería suficiente para otorgar una ventaja decisiva al bando que lo consiguiese. Las bombas de Hiroshima y Nagasaki eran bastante rudimentarias, no obstante lo cual no hay duda que decantaron de forma inmediata la lucha en favor de los Aliados. Por contraste, los programas de cohetes V también consiguieron alcanzar un punto de diseño primitivo y ese fue uno de los factores que hizo que no tuvieran influencia en la guerra. En tercer lugar no se dieron cuenta de que el otro bando hubiera podido tener éxito en el desarrollo nuclear. En tal caso la bomba hubiera sido necesaria para mantener un mínimo equilibrio. Aquí acertaron por los pelos. El final de la guerra salvó Alemania de un casi seguro bombardeo nuclear. Pero igual que acertaron pudieron haberse equivocado, y desde luego en 1942 no tenían forma de saber ni cuando acabaría la guerra, ni cuando llegarían los Aliados a conseguir una bomba operativa.
En cuanto al papel de Hitler en este asunto, creo que en muchas ocasiones ha sido habitual acusarle de todos y cada uno de los errores cometidos por Alemania en la Segunda Guerra Mundial, para así exculpar a otros. Aunque Hitler no comprendiese, y no tenía porque hacerlo, los pormenores de la física nuclear era un hombre que no se detenía ante las decisiones arriesgadas, la tecnología le fascinaba y los planteamientos nuevos, fuera de los caminos trillados no le resultaban desagradables. Si el asunto de la fisión nuclear se le hubiera planteado de la forma adecuada, es posible que si hubiese dado su respaldo al asunto. Mencionas que no fue fácil convencer a Roosevelt, y es cierto. Pero al final a Roosevelt se le convenció gracias a que los físicos que trabajaban en USA estaban plenamente convencidos de dos cosas: que era posible desarrollar la bomba a tiempo y que era imprescindible adelantarse a los alemanes en ese campo. Por ello los mejores físicos del bando aliado escribieron a Roosevelt la famosa carta que empezó todo. Incluso convencieron a todo un pacifista como Einstein, el físico más prestigioso de la época, para que firmase dicha carta. Y después siguieron presionando hasta conseguir sacar adelante el Proyecto Manhattan. Un esfuerzo parecido no parece que se diera por parte alemana.
Que aparte de eso cometieron errores de tipo técnico, no me cabe la menor duda. Y de haber puesto en marcha un programa de desarrollo, seguramente hubieran cometido más. Y es muy posible que a pesar de todo no hubieran conseguido su propósito, y al final todo hubiera sucedido más o menos como en efecto sucedió. Sin embargo eso no quita, en mi opinión, que el no ir a un programa serio de desarrollo nuclear fuese un error mayúsculo.
Nunca se hace el mal tan plena y alegremente como cuando se hace por motivos de conciencia (B. Pascal)


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